Física de semicondutores e Diodos

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Física de semicondutores e Diodos
- Eletrônica Analógica 1 -
Capítulo 1: Diodos
Sumário
Parte 1: teoria de diodos
Parte 2: Circuitos com diodos
- O diodo ideal
- Física dos semicondutores
- Resistência e modelos equivalentes
- Capacitância e tempos do diodo
- Diodo de Zener
- Interpretação de folha de dados
- Modelos e testes com diodos
- Tipos especiais de diodos
- Exercícios e exemplos
- Grampeadores de tensão
- Multiplicadores de tensão
- Diodo Zener: projeto
- Outras aplicações
- Projeto básico fontes de alimentação
2
Transistor: tudo começou com um “fracasso”
3
O diodo ideal
• Analogia:
4
• Polarização
• Dispositivos de estado sólido
5
Física dos semicondutores
• Resistividade dos materiais
• Átomos tetravalentes
– Portadores intrínsecos (Ge=2.5x1013e )
6
• Níveis de energia discretos
Sendo que: 1 eV = 1,6 x 10-19J
7
• Materiais extrínsecos
– Dopagem n e p
– Fluxo de lacunas x elétrons
8
• Portadores majoritários e minoritários
9
• O diodo como semicondutor
– Caso A: sem polarização
10
– Caso B: polarização reversa (Vd < 0V)
• Aumento da região depleção
• Surgimento de uma “corrente de saturação reversa” Is (fuga)
– Baixíssimo valor ( ≤ µA)
– Independe da intensidade de polarização
11
– Caso C: polarização direta (Vd > 0V)
• Pólos forçam portadores majoritários a se recombinarem com
os íons da fronteira reduzindo a depleção
12
• Equação geral do diodo semicondutor:
I D  I S (e kVD / TK  1)
“d’onde”:
- Is = corrente de saturação reversa
- k = 11600/η
com η=2 para Ge e η=1 para Si
- Tk = Tc + 273º
13
• Região Zener
– Aumento velocidade portadores minoritários
• liberação outros portadores por colisões (ionização);
• “Corrente de avalanche”;
– Diodos de Zener
– Tensão pico inversa (Vz , VPIV , VPRV) = máximo potencial
inverso antes diodo entrar na região Zener
– VR ou VBR(tensão de ruptura reversa)
14
• Si versus Ge
– Limiar de disparo (VT)
• VT ≈ 0,7V (Si)
• VT ≈ 0,3V (Ge)
15
• Efeitos da temperatura
– IS praticamente dobra para cada aumento de 10ºC
16
Exemplo 1: nas duas versões abaixo de circuitos,
determine a tensão sobre o diodo
17
Valores de resistência e modelos
equivalentes do diodo
• TIPO 1: resistência CC (ou estática)
– Exemplo:
18
• TIPO 2: resistência CA (ou dinâmica)
– Ponto quiescente (Q)
–
Vd 25,6mV
rd 
I d

ID
– Resistência de corpo (rB) ou de conexão metálica: 0,1 a 2 Ω
19
• Circuitos equivalentes
– TIPO 1: linear
– TIPO 2: Simplificado
– TIPO 3: ideal
20
Saturação
• Reta de carga
Corte
21
Capacitância e tempos do diodo
• Capacitância
• Depleção como meio isolante
• Capacitância depende do potencial de polarização
22
• Tempo de recuperação reversa
– ts (tempo armazenamento)
• Portadores minoritários voltarem ao
material oposto
– tt (tempo transição)
– trr = ts + tt
• Varia de 1 µs a poucos os
– Corrente recuperação inversa (iRR)
23
Diodo de Zener
• Principal característica: VD ≤ VZ
• Controla-se a região de Zener variando-se
nível dopagem
24
• Características elétricas
Observação: VZ é nominal e pode ter variação de até 20%
25
Interpretação de folha de dados
(data sheets)
• Principais parâmetros:
–
–
–
–
–
–
–
Tensão direta VF
Corrente direta máxima IF
Corrente saturação reversa IR
Tensão reversa nominal ou de ruptura (VPIV, VPRV, VBR)
Valor máximo de potência
Tempo de recuperação reversa trr
Faixa de temperatura de operação
26
Modelos e testes com diodos
• Notação:
27
• Classes básicas:
– 1N4148 (diodos de pequeno sinal)
– Família 1N400X (diodos retificadores)
– Família BZX61 (diodos Zener)
• Alguns exemplos de diodos comerciais
Tipo
Uso
Corrente
Vruptura
1N914
alta velocidade
75 mA
75
1N4148
alta velocidade
200 mA
75
BB119
Varicap
-
-
BB809
varicap usado em VHF
-
-
1N4001
retificador
1A
50
1N4002
retificador
1A
100
1N4003
retificador
1A
200
1N4004
retificador
1A
400
1N4005
retificador
1A
600
1N4006
retificador
1A
800
1N4007
retificador
1A
1000
28
Tipos especiais de diodos
• A) Diodo emissor de luz (LED)
– Recombinação de lacunas e elétrons = calor e fótons
– 1,7< VT <3,3V
29
• B) Fotodiodo
– Somente corrente reversa
– Luz desloca elétrons de valência
30
• C) Diodo de Schottky
– Barreira metálica substituindo material p
• sem injeção e armazenamento de portadores minoritários
• ausência recuperação reversa
• VT=0,25 V
• D) Varactores/Varicap
– Controle na junção pn
– Capacitância varia com a tensão reversa
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• E) Diodo de tunel
– Excesso de impurezas
– Fenômeno quântico de tunelamento
• Simbologia
32
Exercícios e exemplos
Exemplo 2: Que valor deve ter R2 na figura abaixo para que
a corrente no diodo seja de 0,25mA?
Exemplo 3: Alguns sistemas, como os alarmes, usam uma
bateria de emergência para o caso de uma eventual queda
da tensão da rede. Descreva como o circuito da figura
abaixo funciona
33
Capítulo 1 – Física dos diodos
Sec. 9 – Exercícios
Exemplo 4: A figura abaixo mostra um circuito alimentando por uma
onda senoidal de 24v de pico. Determine a (i) forma de onda de
condução do diodo, (ii) o valor de pico da corrente no diodo e (iii) a
tensão de polarização inversa máxima sobre o diodo
Exemplo 5: Considerando diodos ideais, calcule os valores de I e V nos
circuitos abaixo. Considere diodos ideais
34
Capítulo 1 – Física dos diodos
Sec. 9 – Exercícios
Exemplo 6: baseando-se na figura abaixo, responda:
a)
Considerando uma alimentação fixa de 10v, três diodos são usados para
conseguir uma saída Vs fixa de 2,4V. Considere que os diodos tenham uma
queda de 0,7V de queda com corrente de 1mA e que ∆V=0,1V/década de
variação de corrente, estipule um valor para R1.
b) Três diodos são usados para uma saída de 2,1V. Deseja-se calcular a variação de
saída provocada por (i) uma variação de ±1V na fonte e (ii) a ligação de uma
resistência de carga de 1kohm
35
Exemplo 7: Determine I, V1, V2, V0 da figura abaixo.
36
Exemplo 8: Calcule VO para a figura abaixo
37
Sec. 1 – Diodos em série e paralelo
Exemplo 9: determine as correntes I1, I2 e ID na
figura abaixo
38
Parte 2:
Circuitos com diodos – aplicações
39
• A) Retificador de meia onda:
– Vrms = 0,318 (Vm - VT) onde VT=0,7v
– Tensão pico inversa (PIV)/tensão de pico reversa (PRV):
• PIV ≥ Vm
40
• B) Retificador de onda completa em ponte
• Vrms = 0,636 (Vm - 2VT)
• PIV ≥ Vm
– CI’s de ponte retificadora: 1B4B42 e SKB1,2/08 B250R
41
• C) Retificador de onda completa com
transformador com derivação (tap) central
• Vrms = 0,636 (Vm - VT)
• PIV ≥ 2 Vm
42
• Equações básicas do transformador:
– V2=(N2/N1)V1
– P1=P2
ou
V2I2=V1I1
43
Ceifadores
• Ceifar parte da onda sem distorcer o restante da
onda
• Exemplo 10: Determine a saída do circuito abaixo.
44
• Exemplos diversos de modelos de ceifadores
45
46
Grampeadores de tensão
• Geralmente usa capacitor ou fonte para
adicionar nível CC ao sinal
– CONVENÇÃO: RC deve ser elevada para assegurar
que tensão no capacitor não descarregue
significativamente
• Exemplo 11:
47
• Regras para análise:
1) Comece a análise começando pela parte do sinal de
entrada que polarizara diretamente o diodo ;
2) Durante o período ligado do diodo, presuma que o
capacitor carrega-se instantaneamente;
3) Convencione que, durante o período em que o diodo
está desligado, o capacitor se mantém no valor
estabelecido (RC alto em relação TIN);
4) ....o resto “Deus” ajuda
48
• Exemplo 12: determine a forma de onda para v0
para a entrada indicada abaixo
49
• Modelos diversos:
50
Multiplicadores de tensão
• Dobrador de tensão
51
• Triplicador e quadruplicador de tensão
52
Diodo Zener: projeto
• Passo 1: determine o estado do Zener removendo-o do
circuito e calculando a tensão do circuito aberto resultante
RLVI
VL 
R  RL
53
Passo 2: substitua o circuito equivalente apropriado e
determine as variáveis desejadas
• Determine a corrente Iz no Zener: Iz = IR – IL
• Determine a potência no Zener: PZ = VZ IZ
54
• Exemplo 13: para o circuito abaixo determine:
a) VL, VR, IZ e PZ
b) Repita os cálculos para RL = 3K ohms
55
Capítulo 2 – Circuitos e aplicações do diodo
Sec. 6 – Diodo Zener
• Há uma faixa específica de valores de Vi e RL que
garantirá que o Zener esteja ativo. Logo:
Observe que:
• IR é fixo
• IZ é limitado a IZM (dado datasheet)
– CASO A (Vi fixo e RL variável): Carga mínima para ativar o Zener
RL min
RVz

Vi  VZ
– CASO B (Vi fixo e RL variável): Carga máxima para ativar o Zener
RLmáx 
Vz
I L min
56
• Exemplo 14: Determine a faixa de valores de RL e IL que
manterá o diodo na região Zener
57
– CASO C (Vi variável e RL fixo): Vi mínima para ativer Zener.
Vi _ mim
( RL  R)Vz

RL
– CASO D (Vi variável e RL fixo): Vi máxima para ativer Zener.
Vi _ máx  I Rmáx R  VZ
Exemplo 15: Determine a faixa de valores de alimentação que manterão
o diodo na região Zener
58
Outras aplicações
• Configurações de proteção
Golpe indutivo
59
60
• Estabelecimento de níveis de referência de tensão
– Referência por divisor resistivo x diodo
62
– Reguladores de tensão:
• Máxima potência: 15W (P = [Vin-Vout].IL)
• Exemplos de ligação:
63
Projeto básico fontes de alimentação
• Visão geral:
• Modelo básico:
64
• Modelo intermediário:
• Reguladores ajustáveis:
65
• Formas de onda da condução
66
• Para calcular o ripple (Vr):
VP  Vr  VP e T / CR
Onde T (=1/60Hz) é o período da onda da rede elétrica. Considerando que
C.R >> T, (tempo descarga muito maior que período oscilação da rede)
podemos usar a aproximação:
e T / CR  1  T / CR
T
Vr  VP
CR
Logo:
Considerando uma frequência de ondulação 2x maior (retificador completo),
basta substituir T=T/2. Assim:
Vr  VP
T
2CR
Vr 
IL
2 fC
67

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