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10/03/2020 Eletrônica de Potência 1

Aula 2: Diodos de Potência

Prof. Allan Fagner Cupertino

210/03/2020 Prof. Allan Fagner Cupertino

Conteúdo


Sumário

❑ Diodos: Características básicas;

❑ Tipos de diodos;

❑ Conceitos básicos de semicondutores;

❑ Estrutura interna de diodos de potência;

❑ Relações de compromisso no projeto de diodos;

❑ Exemplo de um datasheet.

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Diodos: Características

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Diodo PN: Funcionamento básico

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❑ Como é a distribuição de cargas na junção PN em condição normal, polarização

direta e polarização reversa?


Modelo Matemático

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❑ Equação de Shockley:

𝐼𝐷 = 𝐼𝑠(𝑒𝑉𝐷𝑛𝑉𝑇 − 1)

Onde:

• 𝐼𝐷 – corrente através do diodo

• 𝐼𝑠 – corrente de fuga ou de saturação reversa 10−6 a 10−15A

• 𝑉𝐷 – tensão no diodo

• 𝑛 – constante empírica, depende do material e da construção do diodo. Varia entre

1,1 a 1,8 para diodos comerciais


Modelo Matemático

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❑ 𝑉𝑇 - tensão térmica, dada por:

𝑉𝑇 =𝑘𝑇

𝑞

Onde:

• T – temperatura absoluta em Kelvin

• k – constante de Boltzmann: 𝑘 = 1,3806 𝑥 10−23 𝐽/𝐾• 𝑞 é a carga do elétron: 𝑞 = 1,6022 𝑥 10−19 𝐶

Portanto,

❑ Durante a polarização direta: 𝐼𝐷 ≈ 𝐼𝑠 𝑒𝑉𝐷𝑛𝑉𝑇

❑ Durante a polarização reversa: 𝐼𝐷 ≈ −𝐼𝑠


Curva característica I x V de um diodo

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❑ Queda de tensão durante a polarização direta

❑ Corrente de fuga durante a polarização reversa

❑ Tensão de ruptura


Recuperação reversa

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❑ Portadores minoritários precisam de um tempo para se recombinar

• Esse tempo é chamado de tempo de recuperação reversa

• Processo não linear, dependente da temperatura

• 𝑡𝑅𝑅 é definido como o tempo em que a corrente passa por zero (condução-

bloqueio) e o momento em que a corrente reversa atinge 25% de 𝐼𝑅𝑅𝑀



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Recuperação reversa: Parâmetros importantes

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• Tempo de recuperação total 𝑡𝑅𝑅

𝑡𝑅𝑅 = 𝑡𝑎 + 𝑡𝑏

• O valor do pico da corrente reversa 𝐼𝑅𝑅

𝐼𝑅𝑅 = 𝑡𝑎𝑑𝑖

𝑑𝑡

• A carga armazenada 𝑄𝑅𝑅 , que é a área delimitada pela curva da corrente de recuperação:

𝐼𝑅𝑅 ≈2𝑄𝑅𝑅𝑡𝑟𝑟

• Fator de suavidade do diodo:

𝐹𝑆 =𝑡𝑏𝑡𝑎



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❑ Mostre que 𝑡𝑟𝑟 ≅2𝑄𝑅𝑅𝑑𝑖

𝑑𝑡

.


Si versus SIC

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Fonte: 2001, Comparison of Si and SiC diodes during operation in three-phase inverter driving ac induction motor

❑ Por que a performance do diodo SIC é superior?


Tipos de diodos


Tipos de diodo

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Fonte: https://www.instructables.com/id/Types-of-Diodes/

https://www.instructables.com/id/Types-of-Diodes/

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Diodo Padrão ou de Uso Geral

❑ Faixa de aplicação até 6.000V – 4500 A

❑ Tempo de recuperação de 25 us

❑ Em máquinas de solda são diodos de junção fundida, por serem mais baratos e

mais robustos

❑ Dispositivo bipolar


Diodo de recuperação rápida

❑ Faixa de aplicação até 6.000V – 1100 A

❑ Tempo de recuperação de 0,1 a 5us

❑ Acima de 400V feitos por difusão

❑ Abaixo de 400V crescimento epitaxial

❑ Dispositivo bipolar


Diodo Schottky

❑ Faixa de aplicação até 100V – 300 A;

❑ Queda de tensão de 0,5 a 1,2V;

❑ Tempo de recuperação de nanosegundos;

❑ Armazenamento de carga é reduzido atravésde uma barreira de potencial com um contatoentre um metal e um semicondutor;

❑ Aplicações em fonte de alimentação;

❑ Baixa tensão de condução;

❑ Corrente de fuga maior;

❑ Dispositivo unipolar!

Diodos Schottky duais de 20 e 30 A


Diodo Schottky de Carbeto de Silício

❑ O carbeto de silício (SiC) é um novo material para a eletrônica de potência.

❑ Suas propriedades físicas superam as do Si e as do GaAs.

❑ Permite construir diodos Schottky de alta tensão. Vantagens:

• baixas perdas de condução;

• não possuem tempo de recuperação reversa;

• a temperatura não influencia na comutação.


Conceitos básicos de semicondutores


Ionização térmica

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❑ Vibrações térmicas podem ocasionar quebra as ligações covalentes!


Ionização térmica – Semicondutor Intrínseco

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❑ Densidade de elétrons livres: 𝑛; Densidade de lacunas livres: 𝑝

❑ Num semicondutor intrínseco: 𝑝 = 𝑛 = 𝑛𝑖(𝑇) que é a densidade de portadores

intrínsecos do material. Além disso:

𝑛𝑖 𝑇 ≈ 𝐶 exp −𝑞𝐸𝑔

𝑘𝑇

• 𝑘 = 1.4 × 10−23 𝐽/𝐾• 𝐸𝑔 é a banda de energia (1.1 𝑒𝑉 para o silício)

• 𝑞 = 1.6 × 10−19 𝐶• T é a temperatura

• 𝐶 é uma constante de proporcionalidade

https://www.youtube.com/watch?v=LRJZtuqCoMw


Corrente Elétrica e Condutividade

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❑ Metais (ouro, platina, prata, cobre):

𝑛𝑖 ≈ 1023 𝑐𝑚−3 e 𝜎 < 107𝑐𝑚

Ω

❑ Isolantes (dióxido de silício, nitreto de silício, óxido de alumínio):

𝑛𝑖 < 103 𝑐𝑚−3 e 𝜎 < 10−10𝑐𝑚

Ω

❑ Semicondutores (silício, arseneto de gálio, diamante, etc):

108 < 𝑛𝑖 < 1019 𝑐𝑚−3 e 10−10 < 𝜎 < 104𝑐𝑚

Ω

Os módulos de potência modernos são constituídos de um conjuto de materiais!!!!


Ionização térmica – Semicondutor Intrínseco

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Baliga, B. J. “Fundamentals of Semicondutor Devices”, Springer.


Elétrons e lacunas: movimento aparente

10/03/2020


Dopagem

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❑ Na camada chamada de P, adiciona-se materiais aceitadores de elétrons (3 elétrons nacamada de valência: boro, alumínio);

❑ Na camada chamada de N, adiciona-se materiais doadores de elétrons (5 elétrons nacamada de valência: fósforo);

❑ No material tipo P, as lacunas são os portadores majoritários e os elétrons são osportadores minoritários;

❑ No material tipo N, os elétrons são os portadores majoritários e as lacunas são osportadores minoritários;

❑ Formada por fusão, difusão ou crescimento epitaxial.

❑ IMPORTANTE: Note que os materiais são eletricamente neutros (o número de prótons éigual ao número de elétrons).


Dopagem do material semicondutor

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Efeito da dopagem

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❑ Semicondutor extrínseco

❑ Lei de ação da massa: 𝑛𝑖 𝑇 = 𝑝0𝑛0 = 𝐶 exp −𝑞𝐸𝑔

𝑘𝑇

❑ Lei de neutralidade de carga: 𝑁𝑎 + 𝑛0 = 𝑁𝑑 + 𝑝0

❑ Para o material tipo P, 𝑁𝑎 ≫ 𝑛𝑖 → 𝑝0 ≈ 𝑁𝑎 → 𝑛𝑜 ≈𝑛𝑖2

𝑁𝑎

❑ Para o material tipo N, 𝑁𝑑 ≫ 𝑛𝑖 → 𝑛0 ≈ 𝑁𝑑 → 𝑝0 ≈𝑛𝑖2

𝑁𝑑

❑ Conclusões:• Conclusão: a densidade de portadores minoritários é proporcional ao quadrado da

densidade intrínseca de portadores → Afetada pela temperatura!

• A geração de portadores minoritários é afetada pelas diferentes concentrações dedopantes no material;


Efeito da dopagem

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❑ A dopagem geralmente é limitada a concentrações da faixa de 1019 𝑐𝑚−3 que é

pequena comparada a densidade de átomos (em torno de 1023 𝑐𝑚−3);



Recombinação

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❑ Portadores minoritários são gerados em equilíbrio térmico;

❑ A recombinação de pares lacuna elétron é esperada;

❑ Portadores podem ser capturados pelas impurezas ou defeitos na estrutura

cristalina;

❑ Fenômeno complexo de ser analisado. Abordagem simplificada:

𝑑(𝛿𝑛)

𝑑𝑡= −

𝛿𝑛

𝜏

• 𝛿𝑛 é o excesso de carga;

• 𝜏 é a constante de tempo de vida dos portadores minoritários (lifetime).


Recombinação

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❑ 𝜏 aumenta com a temperatura (isto aumenta o tempo de comutação de

dispositivos bipolares).

❑ 𝜏 aumenta com o valor de 𝛿𝑛, para 𝑛 > 1017𝑐𝑚−3

𝜏 =𝜏0

1 +𝛿𝑛𝑛𝑏

2

❑ Diminuição do lifetime → afeta as perdas de condução de dispositivos bipolares

diretamente polarizados

❑ Controle de lifetime é importante → criação de centros de recombinação!


Controle de lifetime

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Deriva e difusão

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❑ Para campos elétricos inferiores a 104𝑉

𝑐𝑚, pode-se escrever que:

𝑣𝐷 = 𝜇𝐸

• 𝐸 é o campo elétrico aplicado

• 𝜇𝑛 e 𝜇𝑝 são as mobilidades dos elétrons e das lacunas no material

• A mobilidade das lacunas e dos elétrons são diferentes!


Densidade de corrente de deriva

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𝐽𝑑 = 𝑞𝜇𝑛𝑛𝐸 + 𝑞𝜇𝑝𝑝𝐸


Mobilidade dos portadores

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❑ Por que a mobilidade cai com a temperatura?

❑ Por que a mobilidade do elétron e da lacuna são diferentes?



Velocidade dos portadores versus E - Si

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❑ Por que existe uma saturação na velocidade?



Densidade de corrente de difusão

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𝐽𝑑𝑓 = 𝑞𝐷𝑛𝑑𝑛

𝑑𝑥− 𝑞𝐷𝑝

𝑑𝑝

𝑑𝑥

𝐷𝑝

𝜇𝑝=𝐷𝑛𝜇𝑛

=𝑘𝑇

𝑞

❑ Os mecanismos de deriva e difusão estão presentes em todos os dispositivos

eletrônicos

❑ Na maioria das vezes, um dos fenômenos é predominante

❑ Num caso geral, ambas as densidades de corrente são importantes para prever o

comportamento do dispositivo.


Junção PN

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❑ Os materiais podem ser fortemente ou fracamente dopados

❑ 𝑁− ou 𝑁+



Formação da região de depleção

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❑ Fluxo de elétrons e lacunas

por difusão;

❑ Impurezas ionizadas formam

a zona de depleção;

❑ O campo elétrico gerado pela

zona de depleção se opõe a

difusão

❑ Regime permanente: Deriva

anula difusão!


Barreira de potencial – Junção PN abrupta

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❑ Distribuição de carga elétrica

❑ Distribuição de campo elétrico

❑ Distribuição de potencial elétrico


Barreira de potencial

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𝑊0 =2𝜖𝜙𝑐 𝑁𝑎 + 𝑁𝑑

𝑞𝑁𝑎𝑁𝑑

❑ Largura da região de depleção

❑ Equação de Poisson


Junção com polarização direta (V>0)

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𝑊 𝑉 = 𝑊0 1 −𝑉

𝜙𝑐𝐸𝑚𝑎𝑥 =

2𝜙𝑐𝑊0

1 −𝑉

𝜙𝑐

❑ Por que a região de depleção diminui quando diretamente polarizada?


Junção com polarização reversa (V<0)

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𝑊 𝑉 = 𝑊0 1 −𝑉

𝜙𝑐𝐸𝑚𝑎𝑥 =

2𝜙𝑐𝑊0

1 −𝑉

𝜙𝑐

❑ Por que a região de depleção aumenta quando reversamente polarizada?


Corrente de saturação reversa

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❑ Gradiente de 𝑛𝑖 adjacente à região dedepleção → difusão

❑ Os portadores minoritários sãoacelerados pelo campo elétrico daregião de depleção

❑ Não depende da tensão aplicada

❑ Depende da temperatura porque adensidade de portadores intrínsecosdepende da temperatura


Portadores minoritários na polarização direta

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❑ Polarização direta favorece a difusão;

❑ Excesso de portadores minoritários nas regiões de deriva;

❑ Decaem devido ao processo de recombinação


Coeficiente de ionização 𝜶

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❑ Definido como o número de pares elétron/lacunas gerados por um elétron

atravessando 1 cm da região de depleção na direção do campo elétrico.

❑ Lei de Chynoweth:

𝛼 = 𝑎 exp −𝑏

𝐸Onde 𝑎 e 𝑏 são parâmetros obtidos experimentalmente e dependentes da

temperature.

❑ O processo de ionização define um limite de campo elétrico no material;

❑ Acima deste limite, ocorre o fenômeno conhecido como avalanche.



Coeficiente de ionização 𝜶

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❑ Quais dos dois materiais é capaz de bloquear mais tensão?



Estrutura Interna


Diodo PN

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❑ Diodo PN



Diodo PIN

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❑ Diodo PIN



Estrutura interna – Diodo PIN

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Efeito da curvatura

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❑ As impurezas sofrem difusão vertical

e horizontal em velocidades similares;

❑ Portanto, a junção apresenta

curvature.

❑ Se o raio de curvatura for comparávelcom a largura da depleção, o campoelétrico não é uniforme;

❑ Reduz a tensão máxima de bloqueio;

❑ R> 6W resulta em uma redução de10 % na tensão máxima de bloqueio;

❑ Não é fácil manter essa relação paragrandes tensões de bloqueio (acimade 1000 V).


Soluções

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❑ Condutores isolados eletricamentefuncionam como superfíciesequipotenciais;

❑ Resulta em um aumento do raio decurvatura da região de depleção;

❑ Regiões P isoladas eletricamentetambém contribuem para um aumentodo raio de curvatura da região dedepleção;


Efeito de borda

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❑ As diferentes constantes dielétricas do silício e do ar geram um aumento do campoelétrico nas bordas do chip;

❑ Isto pode reduzir a máxima tensão de bloqueio do diodo;

❑ Contornos diferentes na superfície diminuem a curvatura da região de depleção;

❑ Uso de passivação da superfície ajuda a minimizar o aumento do campo elétrico e aatração de impurezas.


Formas de onda – diodo PIN

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Modulação de condutividade

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❑ Portadores minoritários são injetadas naregião 𝑁− quando o diodo é diretamentepolarizado (dupla injeção);

❑ Espera-se que a recombinação reduza adensidade de cargas da região;

❑ Se o comprimento da região 𝑁− é menorque o comprimento de difusão e a injeçãode portadores é maior que 𝑛𝑛𝑜 , adistribuição de cargas é aproximadamenteplana.

❑ Como a densidade de cargas aumenta, aresistência da região 𝑁− diminuiconsideravelmente;

❑ Este fenômeno é conhecido comomodulação de condutividade.


Modulação de condutividade

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𝑉𝑑 ≈𝑊𝑑

2

𝜇𝑛 + 𝜇𝑝 𝜏

❑ Conclusão: A queda de tensão diretamente polarizado reduz com o aumento dotempo de vida dos portadores minoritários (lifetime);

❑ Modulação de condutividade só acontece em dispositivos baseados em portadoresminoritários (bipolares). Por isso IGBTs são comercialmente disponíveis paratensões maiores que MOSFETs (dispositivo unipolar).



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Recuperação direta

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Recuperação direta

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❑ Durante o tempo 𝑡1, a carga armazenada na região de depleção é removida. Este

fenômeno pode ser interpretado como a descarga de uma capacitância;

❑ O sobressinal é causado por dois fenômenos:

• A resistência elétrica da região 𝑁− só reduz após a formação da distribuição de

carga (modulação de condutividade leva tempo);

• As conexões internas do diodo apresentam indutâncias parasitas.

❑ 𝑡1: Tipicamente na faixa de centenas de nanosegundos;

❑ 𝑡2: Tipicamente na faixa de microssegundos.


Densidade de portadores versus tempo

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❑ Durante o tempo 𝑡3, a corrente reduz seguindo a derivada definida pelo circuito externoaté atingir zero;

❑ Inicia-se o período definido por 𝑡4. Uma vez que o diodo tem uma distribuição de cargano seu interior, ele não é capaz de gerar a região de depleção instantaneamente;

❑ Durante 𝑡4 a corrente no diodo fica negativa e os portadores majoritários se movematravés da região de depleção. Isso gera uma redução na queda de tensão do diodo;

❑ Quando o espaço de carga é eliminado em uma das junções, o diodo começa abloquear tensão. Inicia-se o período definido por 𝑡5. A queda de tensão torna-senegativa.



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❑ Durante 𝑡5, o restante das cargas presentes na diodo se recombinam e a região de

depleção finalmente é formada;

❑ O sobressinal observado na tensão do diodo é ocasionado pelas indutâncias

parasitas do circuito;

❑ Usualmente, 𝑡5 < 𝑡4;

❑ O tempo de recuperação reversa é função direta do tempo de vida dos portadores

no dispositivo.


Diodos Schottky

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❑ Queda de tensão na faixa de 0,3 a 0,5volts;

❑ Tensões de bloqueio menores que 200V (para dispositivos de silício);

❑ Baseado em portadores majoritários(dispositivo unipolar);

❑ Não apresenta recuperação reversa;

❑ Dispositivos de canal N são preferíveis(maior mobilidade dos elétrons emrelação as lacunas).


Diodos Schottky

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❑ Fluxo de elétrons do semicondutor para o condutor;

❑ Resulta em uma zona de depleção;

❑ No estado bloqueado o campo elétrico é contido na região N;

❑ Uma vez que não existe modulação de condutividade, deve-se usar uma dopagem

relativamente alta → recuperação direta desprezível;

❑ O aumento da tensão de bloqueio acaba afetando a queda de tensão direta do

diodo, pois a camada N deve ser mais longa (por isso deve ser mantida baixa);

❑ Não necessita de recombinação durante a comutação, pois baseia-se em

portadores majoritários → recuperação reversa desprezível;

❑ Problema: Alta corrente de fuga.


Comparação Si versus SiC

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❑ Dispositivos baseados em SiC podem apresentar tensões de bloqueio maiores!

❑ Desta forma, podem-se construir diodos Schottky de média tensão.



Relações de Compromisso


Diodos epitaxiais versus diodos por difusão

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❑ Diodo PIN epitaxiais

• Primeiro a camada 𝑁− é depositado por crescimentoepitaxial no substrato 𝑁+;

• Em seguida, a camada 𝑃+ é obtida por difusão;

• Diodos rápidos são produzidos utilizando-se centrosde recombinação (por exemplo, adição de ouro);

• Como a largura da camada intrínseca é pequena, estatecnologia é tipicamente aplicada para tensões debloqueio de 100 a 600 V;

• Maiores defeitos cristalinos;

• Algumas opções de 1.2 kV são encontradas nomercado.

Lutz, J. et al. “Semiconductor Power Devices: Physics, Characteristics, Reliability ”, Springer.


Diodos epitaxiais versus diodos por difusão

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❑ Diodo PIN por difusão

• Utiliza-se um substrato 𝑁−; As camadas 𝑁+ e 𝑃+

são obtidas por difusão;

• A largura da camada 𝑁− é basicamente determinada

pela profundidade da difusão;

• Usualmente utilizada para tensões acima de 1.2 kV;

• Menor número de defeitos cristalinos.



Efeito do dopante

10/03/2020

❑ Exemplo: 100 𝜇𝑚, 1200 ℃→ 98 h para o alumínio e 556 h para o boro!!!


Diodo PIN (abordagens NPT e PT)

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❑ Qual estrutura é capaz de bloquear mais tensão?



Diodo PIN (abordagens NPT e PT)

10/03/2020

❑ Abordagem PT resulta em um menor

comprimento e uma menor queda de

tensão direta;

❑ Tende a resultar em uma menor

perda direta (0,8 V para um

dispositivo de 1.2 kV)

❑ Problemas durante recuperação

reversa!



Recuperação reversa – Diodo PT

❑ Alta derivada de corrente (qual o problema?);

❑ Solucões: ቐ

Inserir camada adicional (buffer)Inserir centros de recombinação

Mudar o design (NPT)



Comparação



Relação de compromisso



Inserção de centros de recombinação

❑ Pode afetar as características durante polarização direta



Inserção de centros de recombinação

❑ Pode afetar as características durante recuperação direta



Diodo Schottky – Relação de compromisso



Diodo Schottky baseado em SiC



Algumas soluções criativas

❑ Solução 1 ❑ Solução 2

❑ Citar uma vantagem e desvantagem de cada solução.



Datasheet


Diodo IDW100E60 da Infineon

Fonte: http://www.infineon.com/dgdl/Infineon-IDW100E60-DS-v02_03-en.pdf?fileId=db3a304412b407950112b438da286bba


Tarefa

❑ Baseando-se nos conhecimentos adquiridos nesta aula, analisar

comparativamente (de forma detalhada) as características de condução e

comutação de duas pontes de diodos comercializadas pela Semikron:

1. SK 80 D 12 F

2. SK 95 D

❑ Os datasheets podem ser obtidos no seguinte link:

https://www.alldatasheet.com/

❑ Entregar um relatório de no máximo 3 (três) páginas (para a próxima aula);

https://www.alldatasheet.com/


Allan Fagner Cupertino

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