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Diodo túnel
Diodo Esaki
Diodos convencionais são dopados com
um átomo de impureza para cada dez
milhões de átomo de semicondutor
intrínseco.
Aumentando-se a dopagem para mil
átomos de impureza para cada dez
milhões de átomo de semicondutor
intrínseco , obtém-se uma região de
resistência negativa (Leo Esaki).
Suas três principais características são:
O aumento da dopagem reduz a
largura da região de depleção.
Sua corrente direta aumenta até um
valor de pico, com uma pequena tensão de
polarização direta aplicada;
Redução da corrente direta com o
aumento da polarização, até um valor de
corrente de “vale”;
Aumento da corrente direta com aumento
adicional da tensão de polarização.
Diodo túnel
Diodo Esaki
Um diodo túnel polarizado para
operar em região de resistência
negativa pode ser empregado como
oscilador ou amplificador em altas
freqüências.
A operação em altas freqüências é
possível graças à velocidade com
que o efeito túnel acontece, com
efeito de tempo de trânsito muito
pequeno.
O aumento da dopagem reduz a
largura da região de depleção.
Encontra boa aplicação em
dispositivos de chaveamento
(comutação) em alta velocidade.
Oscilador a diodo túnel
Um diodo túnel polarizado no centro
da região de resistência funciona
como um oscilador bastante estável
em altas freqüências, dentro de uma
cavidade ressonante.
Podem ser sintonizados
mecanicamente (quando implantado
em uma cavidade ressonante) ou
eletronicamente.
Os diodos túnel sintonizados
podem utilizar linhas de
transmissão, cabos coaxiais ou
guias de onda na sintonia.
Oscilador a diodo túnel
A potência de saída do circuito ao
lado é de algumas centenas de
microwatts, suficientes para muitas
aplicações em microondas.
A freqüência de oscilação é
determinada pela posição do
parafuso de sintonia.
A sintonia pode ser feita, ainda, por
tensão de polarização ou com
auxílio de um diodo varactor.
Amplificador a diodo túnel
É uma importante aplicação na área
de microondas devido ao baixo
ruído gerado.
O filtro serve para selecionar a faixa
a ser amplificada e para casar as
impedâncias com o objetivo de
melhorar o ganho.
Se houver algum descasamento de
impedâncias na porta 3, a carga RL
absorverá a energia direcionada
pelo circulador.
Conversores a diodo túnel
O diodo túnel permite a construção de excelentes conversores de
freqüência graças à sua elevada não linearidade.
Ao contrário de muitos outros conversores, o diodo túnel executa a
conversão com aumento da potência.
Pode ser construído de forma a operar simultaneamente como
oscilador local e conversor de freqüência.
Para que opere com ganho será necessário que seja polarizado na
região de resistência negativa.
Lembrar que nem sempre ganhos elevados são vantajosos devido ao
risco de instabilidade.
Diodo Gunn
Circuito equivalente
na cavidade
É formado por apenas pelo semicondutor tipo N,
com três camadas, sendo a do meio com
dopagem menor. As camadas N laterais evitam a
migração de íons metálicos dos terminais para a
camada ativa.
É utilizado como oscilador de microondas, entre
5 e 140 GHz.
A freqüência de oscilação depende da espessura
da camada ativa, porém pode ser ajustada.
Na maioria das vezes o ajuste da sintonia é feito
mecanicamente, mas pode ser ainda feito pela
tensão de polarização ou com auxílio de um
diodo varactor.
Encontra grande aplicação em radares de
trânsito, alarmes e detectores de movimento.
Diodo Gunn
Tabletes de arsenieto de Gálio (GaAs), Fosfeto de Índio (InP) ou nitreto de
Gálio (GaN), ambos tipo N.
Apesar do nome diodo, não possui junção.
Possui uma região de resistência negativa, a exemplo de outros componentes,
na qual a velocidade de deslocamento diminui com o aumento da tensão
aplicada aos seus terminais.
O processo gera uma concentração de elétrons livres denominada domínio.
Diodo Gunn
Movimento do domínio
contato metálico
do anodo
contato metálico
do catodo
domínio eletrônico
(camada ativa)
GaAs tipo N
Velocidade de deslocamento no GaAs
Transiente
Os domínios se movem pelo
arsenieto de gálio até o terminal
positivo.
Quando o domínio atinge o
terminal positivo, desaparece e
um novo domínio se forma.
Quando o domínio desaparece,
forma-se um pulso de corrente.
O período dos pulsos é igual ao
tempo de transito.
Diodo Gunn
Diodo Gunn
em cavidade
Diodo Gunn em
antena de cavidade
Modos de operação do Diodo Gunn
Modo de amplificação estável
Funciona como um amplificador;
Neste aspecto, a concentração de dopagem versus comprimento da região
ativa deve ser inferior a 1012/cm2 .
Modo de trânsito
Opera de forma não ressonante e depende da tensão de polarização
aplicada;
A concentração de dopagem deve estar entre 1012 e 1014/cm2 ;
A freqüência de operação depende do tempo de trânsito do pulso pela
região ativa,
Modos de operação do Diodo Gunn
Modo de carga espacial limitada
Depende de um indutor de RF para excitar uma cavidade ressonante de
alto fator de qualidade (Q);
A concentração de dopagem versus comprimento da região ativa deve ser
igual ou superior a 1012/cm2 ;
A eficiência pode chegar a 20%, superior à dos outros dois;
O período de oscilação é:
T = 2π LC +
1
 Vb 
R 
 Vth 
Vb = tensão de polarização
Vth = tensão limiar
Modos de operação do Diodo Gunn
Modo de carga espacial limitada (continuação)
A potência útil de saída de um circuito oscilador ou amplificador é:
Po = ηVI
V = tensão aplicada
I = corrente aplicada
Para um diodo Gunn, a expressão é:
Po = η MELN 0evA
M = relação entre a tensão de polarização e a tensão limiar
E = campo elétrico limiar (kV/cm)
L = comprimento em centímetros
N0 = concentração de doadores
e = carga de um elétron
A = área da seção reta do componente em cm2
Diodo IMPATT
IMPATT = ImPact Avalanche And Transit Time.
Opera na região de avalanche (polarização inversa, mediante a
aplicação de um campo elétrico intenso e tensão de polarização
de 70 a 100 volts.
O efeito avalanche não é instantâneo. Ocorre um rápido atraso de
fase entre a aplicação da tensão de ruptura e o surgimento da
corrente de avalanche.
Em 1959, W. T. Read, dos Laboratórios Bell lançou a tese de que o
retardo na fase poderia criar uma resistência negativa, fato este
confirmado em 1965, no mesmo Laboratório, por Lee e Johnson,
com a invenção do então denominado “diodo Read”.
O componente criado gerou 80 mW em 12 GHz, com uma junção
PN de silício. A partir daí passou a chamar-se diodo IMPATT.
Diodo IMPATT
A estrutura física é semelhante à do diodo PIN.
A tensão aplicada causa ruptura momentânea, uma vez em cada
ciclo.
O processo gera uma corrente pulsante através do componente.
É utilizado basicamente em osciladores de microondas, podendo
chegar a 300 GHz, com rendimento de até 15%.
Possuem baixo rendimento, o que limita seu uso em transmissões
pulsadas, na maioria dos casos, além de ter seu desempenho
dependente da temperatura.
Diodo IMPATT
Principais aplicações:
Receptores de radar de trânsito;
Sistemas de alarme;
Amplificadores com resistência negativa;
Multiplicadores de freqüência.
Apesar da estrutura básica mostrada, pode ser encapsulado de
várias formas, conforme a conveniência.
É mais ruidoso que o diodo Gunn porém possuem melhor
estabilidade e potência mais elevada.
Sua principal desvantagem é o elevado ruído de fase gerado pelo
processo de avalanche.
Diodo IMPATT
Estrutura e perfil de dopagem
Camada intrínseca
Podem ser construídos à base de silício (até 10 W) ou arsenieto de
gálio (até 20 W).
Diodo IMPATT
Possui duas regiões: a de avalanche
(ou de injeção) e a de deslocamento.
Pares elétrons- lacunas são criados
no ponto de campo elétrico mais
elevado (região de avalanche) e são
fortemente acelerados.
Na avalanche, os portadores, ao
colidirem com a rede cristalina,
liberam outras portadoras.
Os novos portadores liberados são
também acelerados, liberando ainda
mais portadores,
A presença da resistência negativa
combinada com o efeito avalanche
gera uma oscilação na faixa de
microondas.
Diodo IMPATT
Durante a oscilação ocorre uma efeito de
defasagem de 180° entre a tensão e a
corrente induzida.
Pares elétrons- lacunas são criados no
ponto de campo elétrico mais elevado
(região de avalanche) e são fortemente
acelerados.
Na avalanche, os portadores, ao colidirem
com a rede cristalina, liberam outras
portadoras.
Os novos portadores liberados são também
acelerados, liberando ainda mais
portadores,
A presença da resistência negativa
combinada com o efeito avalanche gera
uma oscilação na faixa de microondas.
O diodo IMPATT opera com tensões de
polarização da ordem de 70 V CC, ou mais,
o que restringe suas aplicações.
Diodo IMPATT
Exemplo de especificações
Specifications
Frequency Band
Q
V
W
Frequency Range (GHz)
43-47
58-62
92-97
Waveguide Size
WR-22
WR-15
WR-10
Bandwidth Range (GHz)
Power Output Range (Watts)
Up to 2 GHz depending on number of stages
Long Pulse (pulse width
1 uS - 1 mS / duty 0-50%)
0.2 - 1.0
0.1 - 0.5
0.1 - 0.2
Short Pulse (pulse width
50-150 nS / duty 0-0.5%)
---
---
1 - 15
Diodo IMPATT
Exemplo de especificações
Specifications
Frequency Band
Q
V
W
Frequency Range (GHz)
43-47
58-62
92-97
Waveguide Size
WR-22
WR-15
WR-10
Bandwidth Range (GHz)
Power Output Range (Watts)
Gain Range (dB)
Up to 2 GHz depending on number of stages
0.2 - 1.0
0.1 - 0.4
0.1 - 0.2
Single Stage
7 - 13
6 - 13
6 - 13
Double Stage
10 - 20
10 - 20
10 - 20
Diodo Schottky
Diodo Schottky
Baseia-se em uma junção metalsemicondutor de baixíssima
capacitância;
Principais aplicações:
conversão de freqüência;
retificação;
demodulação de amplitude.
Pode ser modelado como um resistor
não linear na forma:
(
)
I (V ) = I S eαV − 1
Vd
q

α =  nkT  ≅ 1 ( 25 mV )


T = 290 K
1,2 ≤ n ≤ 2
I s = corrente de saturação
(10
-15
a 10 -6 A
)
Diodo PIN
Sua principal utilidade é em comutadores
para microondas, em substituição aos
mecânicos, lentos e volumosos. Tempo
de comutação pode ser inferior a 10 ns;
Valores típicos:
Capacitância da junção (Cj): 1 pF
Indutância da camada I (Li): 0,5 nH
Resistência inversa (Rr): 5 Ω
Resistência direta (Rf): 1 Ω
Efeitos parasitas devido ao
encapsulamento não estão indicados nos
circuitos equivalentes ao lado.
Diodo PIN
Diodo PIN
Diodo PIN
Diodo PIN - Exercício
Um comutador foi construído com um diodo PIN com os
seguintes parâmetros:
Capacitância da junção (Cj): 0,1 pF
Indutância da camada I (Li): 0,4 nH
Resistência inversa (Rr): 1 Ω
Resistência direta (Rf): 5 Ω
Considerar uma freqüência de operação de 5 GHz e uma impedância
Z0 = 50 Ω, qual das configurações apresentará menor perda de
inserção, série ou paralelo?
Diodo varactor
Varicap
A polarização inversa de um diodo faz surgir na junção
uma região com características de dielétrico (região de
depleção).
Menor tensão de polarização
Região de depleção mais estreita
Maior capacitância
A largura da região de depleção depende, entre outras
coisas, da tensão inversa, enquanto a tensão de ruptura
não é atingida.
Como a largura da região de depleção varia, tem-se
uma capacitância variável.
Diodos construídos para funcionar com capacitância
variável são denominados diodos varactores ou
varicaps.
Maior tensão de polarização
Região de depleção mais larga
Menor capacitância
Principais aplicações:
transceptores móveis;
redes locais de computadores via rádio;
receptores de televisão, etc.
Diodo varactor
(variable reactor )
Menor tensão de polarização
Região de depleção mais estreita
Maior capacitância
Maior tensão de polarização
Região de depleção mais larga
Menor capacitância
Basicamente, todo diodo apresenta as
características do varactor. Entretanto, os diodos
que são produzidos especificamente para
funcionar como varactor tem estas
características enfatizadas na produção.
Nem todo varactor é formado por diodo. Em
alguns componentes, como o CMOS, os
varactores podem ser construídos através da
implantação de uma região fortemente dopada
positivamente (implante P+) dentro de uma
região levemente dopada positivamente.
Diodo varactor
C0 (geralmente 0,2 pF) e V0
(geralmente 0,5 V) são constantes;
Rs
Rj
C j (V ) =
Cj(V)
C0
 V 
1 − V 
0 

γ é um expoente que varia entre 1/3 e
5, de acordo com o perfil de
dopagem do semicondutor. Valor
típico: 0,5;
Rj é uma resistência em série da
junção e de contato com os
terminais, da ordem de poucos
ohms;
γ
A capacitância da junção varia de 0,1
pF a 0,2 pF para variações de tensão
de polarização de 2,0 a 0 volts.
A largura da região de depleção é,
geralmente, proporcional à raiz
quadrada da tensão aplicada.