Junção PN e Comportamento dos Diodos em Semicondutores

Universidade Federal de Itajubá ELTA01 Eletrônica Analógica 1 Prof Robson Luiz Moreno morenounifeiedubr Junção PN Parte 2 Diodos 2 Semicondutores Junção PN Diodo No instante em que os dois materiais são unidos os elétrons e as lacunas na região da junção se combinam resultando em uma falta de portadores livres na região próxima à junção Observe nessa figura que as únicas partículas exibidas na região de depleção são os íons positivos e negativos restantes após os portadores livres terem sido absorvidos Sem polarização aplicada Diodo símbolo Dopantes majoritários lacunas Dopantes majoritários elétrons 3 Semicondutores Junção PN Diodo Se um potencial externo de V volts for aplicado à junção pn de modo que o terminal positivo seja ligado ao material do tipo n e o terminal negativo ao material do tipo p o número de íons positivos descoberto na região de depleção do material do tipo n aumentará devido ao grande número de elétrons livres portadores majoritários na metade semicondutora do tipo n atraídos para o potencial positivo da tensão aplicada Com polarização aplicada Polarização reversa 4 Semicondutores Junção PN Diodo Por razões semelhantes o número de íons negativos descoberto aumentará no material do tipo p O efeito líquido portanto será um alargamento da região de depleção Esse alargamento estabelecerá uma barreira grande demais para ser superada pelos portadores majoritários lacunas na metade semicondutora do tipo p e elétrons na metade semicondutora do tipo n efetivamente reduzindo o fluxo deles a zero Com polarização aplicada Polarização reversa 5 Semicondutores Junção PN Diodo Existe um número de portadores minoritários lacunas geradas termicamente na metade semicondutora do tipo n que entram na região de depleção resultando em vetores de fluxo de portadores minoritários sem tensão aplicada A corrente de saturação reversa raramente tem mais do que alguns microampères e é comumente em nA exceto para dispositivos de alta potência Com polarização aplicada Polarização reversa 6 Junção PN Polarização Reversa VD 0V Uma tensão reversa muito alta pode produzir um efeito de avalanche ou Zener emissão de alto campo onde a alta corrente de ruptura destrói o diodo 7 Junção PN Polarização Reversa VD 0V O potencial máximo de polarização reversa que pode ser aplicado antes que a junção PN entre na região zener ruptura é chamado de tensão de pico inversa ou tensão de pico reversa ou PIV 8 Semicondutores Junção PN Diodo A condição de polarização direta ou ligada on é estabelecida mediante a aplicação do potencial positivo ao material do tipo p e do potencial negativo ao material do tipo n A aplicação de um potencial de polarização direta VD forçará os elétrons no material do tipo n e as lacunas no material do tipo p a se recombinarem com os íons próximos à fronteira e a reduzirem a largura da região de depleção Com polarização aplicada Polarização direta 9 Semicondutores Junção PN Diodo O fluxo resultante de portadores minoritários de elétrons do material do tipo p para o do tipo n e das lacunas do material do tipo n para o do tipo p não se alterou em magnitude uma vez que o nível de condução é controlado principalmente pelo número limitado de impurezas no material mas a redução na largura da região de depleção resultou em um intenso fluxo de majoritários através da junção Com polarização aplicada Polarização direta 10 Semicondutores Junção PN Diodo Um elétron do material do tipo n agora vê uma barreira reduzida na junção por causa da região de depleção reduzida e de uma forte atração para o potencial positivo aplicado ao material do tipo p Com polarização aplicada Polarização direta 11 Semicondutores Junção PN Diodo À medida que a tensão aplicada aumentar em magnitude a região de depleção continuará a diminuir em largura até que uma corrente de elétrons possa passar através da junção resultando em um aumento exponencial na corrente Com polarização aplicada Polarização direta 12 Semicondutores Junção PN Curva característica do diodo semicondutor de silício É possível demonstrar por meio da física do estado sólido que as características gerais de um diodo semicondutor podem ser definidas pela seguinte equação conhecida como equação de Shockley para as regiões de polarização direta e reversa Onde Is é a corrente de saturação reversa VD é a tensão de polarização direta aplicada ao diodo n é um fator de idealidade que é função das condições de operação e construção física tem intervalo entre 1 e 2 dependendo de uma grande variedade de fatores onde k é a constante de Boltzmann 138 1023 JK TK é a temperatura absoluta em Kelvin 273 temperatura em C q é a magnitude da carga eletrônica 16 1019 C 13 Semicondutores Junção PN Curva característica do diodo semicondutor de silício A tensão através de um diodo em polarização direta normalmente é inferior a 1 V Aqui iremos considerar tipicamente como 07V mas pode variar com o valor da corrente que passa pelo dispositivo diodo 14 Prever resistor limitador de corrente externo Diodos de Sinal baixa potência e alta frequencia de operação Diodos Retificadores alta potência e baixa frequencia de operação Uso do diodo em circuitos com Polarização Direta e Reversa Diodo Semicondutor A resistência direta do diodo Rd é muito pequena Para não danificar o diodo deve se ter uma carga aqui modelada por um resistor com a finalidade de limitar a corrente que passa pelo diodo 15 Diodo Semicondutor V D ID Anodo Catodo Observação Não é necessário contabilizar os portadores minoritários na corrente direta Simbologia Invólucro P N 16 Diodo Semicondutor Alguns Exemplos de Encapsulamentos 17 Diodo Semicondutor Alguns Exemplos de Encapsulamentos 18 Diodo Semicondutor Curva Característica 19 Diodo Semicondutor Níveis de Resistência Apesar de se tratar de um componente altamente não linear o diodo semicondutor pode ter partes de sua curva característica linearizadas Em outras palavras significa tornar uma porção desta curva expressa aproximadamente pela lei de Ohm Tensão Threshold limiar mínimo valor para condução 04V Comportamento aproximadamente linear 20 Diodo Semicondutor Níveis de Resistência Para efeito de modelamento linearização de partes da curva característica será considerado que o diodo na condição de polarização reversa antes da ruptura é uma resistência de altíssimo valor Na prática isto significa que este valor é muito maior pelo menos 10 vezes que o maior resistor presente no circuito Normalmente esta condição é simbolizada pelo seu comportamento idealizado que é uma chave aberta 21 Diodo Semicondutor O ponto de operação do diodo no circuito é denominado de quiescente Q ID V D IDQ V DQ Q Ponto de Operação DQ DQ D I V R Diodo polarizado diretamente Resistência Estática Será maior para regiões próximas ou abaixo do joelho da curva e apresentará um elevado valor na polarização reversa antes da ruptura A resistência DC é a relação direta entre os valores DC de tensão e corrente no diodo 22 Diodo Semicondutor Resistência Dinâmica Incremental A resistência AC Incremental prevê a movimentação do ponto Q pela presença de um sinal variante no tempo superposto aos níveis DC D D d I V r D D Desde que estas variações sejam pequenas operação a pequeno sinal sinais incrementais a curva se confunde com a reta tangente no ponto derivada Notar que a inclinação da reta é igual a resistência dinâmica do diodo Diodo polarizado diretamente 23 Diodo Semicondutor Resistência Dinâmica Incremental Uma regra é considerar variações máximas menores do que 5mV de amplitude Considerando a expressão em série da função ID com essa regra os termos quadráticos podem ser desprezados D S D D D S D D S D S S D I 1 I I 1 dV dI 2 1 2 1 I dV dI 1 I I I 1 I I v v v e e e t t t em do Substituin v V v V v V t D t D t D 24 Diodo Semicondutor Resistência Dinâmica Incremental A derivada de uma função em um ponto é igual a inclinação da reta tangente traçada nesse ponto DQ d Q D D D D d I 25mV r dI dV I V r D D 25 Diodo Semicondutor Resistência Dinâmica Incremental DQ d I 25mV r η 1 η 2 26 Diodo Semicondutor Se o sinal variante no tempo provocar deslocamentos muito grandes ao redor do ponto de operação é necessário definir uma resistência AC média Este valor de resistência é calculado tomandose uma linha reta que une os dois pontos extremos das variações do sinal e fazendose a relação entre a tensão e a corrente ID V D DID DV D ponto a ponto D D AV I V r D D Resistência Dinâmica Média Diodo polarizado diretamente 27 Diodo Semicondutor Circuitos Equivalentes Modelos do Diodo Circuito equivalente é uma combinação de elementos de circuito resistores capacitores fontes de tensão etc propriamente escolhidos para representar com um certo grau de precisão as características globais ou em um determinado ponto de operação um dispositivo ou um sistema Um sinônimo para circuito equivalente é Modelo e está se tentando deixar o dispositivo ou sistema linear O uso de modelos simplifica a análise de um circuito que contenha componentes altamente não lineares 28 Diodo Semicondutor Modelo Ideal V D 0 ID IR 0 ID V D V R Idealmente o diodo é modelado como uma chave fechada polarização direta e como uma chave aberta polarização reversa Também chamado de primeira aproximação 29 Diodo Semicondutor Modelo Simplificado O diodo se torna uma chave fechada depois de vencido o joelho da curva Também chamado de segunda aproximação V D V T ID IR 0 ID V D V R V T V T 30 Diodo Semicondutor Modelo Linear por Partes V D V T I Dr AV ID IR 0 ID V D V R V T V T rAV Incorpora o valor da resistência dinâmica média Chamado de terceira aproximação 31 Diodo Semicondutor Existem dois efeitos capacitivos a serem considerados Ambos estão presentes nas condições de polarização direta e reversa entretanto apenas um deles é dominante simplificando assim a análise Na polarização reversa temse um material isolante região de depleção entre duas regiões com cargas acumuladas Efeitos Capacitivos Na polarização reversa predomina a Capacitância de Junção CJ 32 Um diodo especializado chamado Varicap muito utilizado em circuitos de sintonia está otimizado para atuar como um capacitor variável com base neste fenômeno Diodo Semicondutor Efeitos Capacitivos Na polarização reversa predomina a Capacitância de Junção CJ 33 Diodo Semicondutor Capacitância de Difusão Na polarização direta predomina a Capacitância de Difusão CD Quando os portadores se difundem através da junção eles levam um determinado tempo para se recombinarem Até que a maioria dos portadores se recombine eles ficam armazenados o que equivale a modelar este comportamento como um capacitor 34 Diodo Semicondutor Capacitância de Difusão Quanto maior a corrente direta maior o armazenamento de cargas maior efeito capacitivo Pelo fato de estar relacionada à difusão de portadores esta capacitância recebeu o nome de capacitância de difusão 35 Diodo Semicondutor Tempos de recuperação Ao se aplicar um sinal de freqüência muito elevada uma onda quadrada por exemplo os efeitos capacitivos impedirão que o dispositivo responda instantaneamente Existirão os chamados tempos de recuperação direto trd e reverso trr O tempo de recuperação reverso passar da polarização direta para a polarização reversa é o maior dos dois e representa o tempo de recuperação dominante devido a capacitância de difusão 36 Diodo Semicondutor Tempos de recuperação 20ns 10 5 0 5 10 10ns 30ns V int V t R L 1K D 1 D1N4148 V int Circuito Simples para Verificar o Chaveamento de um Diodo de Sinal Comando p Desligar D1 Comando p Ligar D1 37 Diodo Semicondutor Tempos de recuperação 15m 10m 5m 5m 10m 15m 10ns 20ns 30ns 20m ID A t trr 10ns 20ns 30ns 10 8 6 4 2 0 2 t V D V 20ns 10 5 0 5 10 10ns 30ns V int V t R L 1K D 1 D1N4148 V int 38 Diodo Semicondutor Tempos de recuperação Para diodos de sinal o valor do tempo de recuperação reversa está na casa de unidades a dezenas de nS Diodos retificadores já apresentam um tempo de recuperação reversa da ordem de unidades a dezenas de mS Existem diodos especializados construídos com uma junção metalsemicondutor diodo Schottky que apresentam um tempo de recuperação reversa de picosegundos Estes diodos podem operar então em frequências muitas elevadas centenas de MHz 39 Diodo Semicondutor Dissipação de Calor Hipérbole de Potência O diodo dissipa potência na polarização direta proporcionalmente ao produto ID x VD Este valor é uma constante e depende basicamente do volume de silício empregado e do encapsulamento O produto define no plano ID fVD o que se chama de Hipérbole de Potência A princípio podemos classificar os diodos em dois grandes grupos Diodos de Sinal Trabalham em baixa potência tipicamente abaixo de 1 W e são mais rápidos Diodos Retificadores Maior potência e mais lentos frequência industrial 60 Hz 40 Diodo Semicondutor Dissipação de Calor Hipérbole de Potência V T ID V D IDmax ID x V D cte Esta constante é P DMAX Q O ponto quiescente Ponto Q deverá ficar abaixo da hipérbole de potência para garantir uma operação segura do dispositivo SOA Safe Operating Area 41 Diodo Semicondutor Avaliando um Diodo com Multímetro Digital Os multímetros digitais apresentam dentro de sua seção ohmímetro uma função especial normalmente identificada pelo símbolo de um diodo que permite avaliar a condição de junções PN 42 Conceito da Linha de Carga Reta de Carga 43 Conceito da Linha de Carga Reta de Carga Para este tipo de análise é preciso ter em mãos a curva característica do dispositivo É possível traçar uma linha que representa o comportamento para uma determinada carga sobre as curvas características Se a carga é linear esta linha se torna uma reta Daí o nome Reta de Carga 44 Análise através da Linha de Carga Reta de Carga O ponto de intersecção com o eixo y VTHRTH corresponde a uma situação em que o diodo estaria em curto circuito VD 0V e é o maior valor de corrente que poderia circular através deste dispositivo O ponto de intersecção com o eixo x VTH corresponde agora a uma situação em que o diodo se encontra em circuito aberto ID 0A e é o maior valor de tensão que pode aparecer entre o seus terminais ID VD 1RTH IDQ VDQ Q A B TH TH D D R V I 0V V A ponto TH D D V V 0A I B ponto 45 Análise através da Linha de Carga Exemplo Avaliar no circuito a seguir o ponto Q usando o conceito da reta de carga O diodo utilizado é um diodo de sinal 1N4148 e T TAMB 300K D1N4148 6V R2 1K R3 500 R1 1K ID VD A B Aplicar o teorema de Thévenin entre os pontos A e B e reduzir o circuito a um circuito série 500 1K1K R 3V 1K 1K 6V1K V TH TH No cálculo de VTH usamos a lei do divisor de tensão e na avaliação de RTH a fonte de excitação deverá estar em repouso no caso V 0 0V 05V 10V 15V 20V 25V 30V 35V 0A 1mA 2mA 3mA 4mA 5mA 6mA 7mA 8mA 9mA 10mA ID VD Q 46 Análise através da Linha de Carga Exemplo 3V 500 B A D1N4148 R3 500 ID VD RTH VTH A partir do circuito equivalente podese traçar a reta de carga Para tanto determinar os cruzamentos com os respectivos eixos de corrente e tensão IDQ 24 mA e VDQ 065 V