Díodos - Técnico Lisboa - Autenticação · Aplicações: rectificadores, circuitos lógicos,...

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Teoria de Circuitos e Fundamentos de Electrónica:Díodos♦ Dispositivos de material semicondutor (silício e germânio)♦ Normalmente descritos como interruptores: passam corrente

apenas numa direcção

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apenas numa direcção♦ Aplicações: rectificadores, circuitos lógicos, reguladores de

tensão, sintonia em circuitos de rádio-frequência, etc.

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apenas numa direcção♦ Aplicações: rectificadores, circuitos lógicos, reguladores de

tensão, sintonia em circuitos de rádio-frequência, etc.♦ Há díodos que emitem luz: LEDs (Light-Emitting-Diodes)♦ Há díodos que entram em condução quando lhes incide luz:

fotdíodos♦ Há díodos que são utilizados como condensadores de capacidade

variável.

Teoria de Circuitos e Fundamentos de Electrónica:Díodo ideal

+ -vD

iDânodo cátodo

00 => DD vi

00 =≤ DD iv

+ -0≤Dv

+ -0>Di

* Microelectronic Circuits, Sedra and Smith,

*


+vD

-

1 kΩ

iDVDD VDD +vD

-

1 kΩ

iD

kViV

iV

DDDDD

DDD

10

00

=≥

=≤

kViV

iV

DDDDD

DDD

10

00

=≤

=≥


+vD

-

1 kΩ

iDVDD VDD +vD

-

1 kΩ

iD

DDVDR

1

Di

DDV

k11

Di

Teoria de Circuitos e Fundamentos de Electrónica:Díodo ideal♦ Rectificador de meia-onda

vivo

+ vD -


* *

iv

1

ov

io vv =0=ov


vivo

+ vD -


* *


vs 12 V

100 Ω

24 V

12 ViDmax

?max =Di

Teoria de Circuitos e Fundamentos de Electrónica:Díodo ideal♦ Função lógica

000100010110

YCBA

111011101001

VVA A 51 +=⇔=

VVA A 00 =⇔=

*



0000110010101110

YCBA

1111101111011001

VVA A 51 +=⇔=

VVA A 00 =⇔=CBAY ++=


000100010110

YCBA

111011101001

VVA A 51 +=⇔=

VVA A 51 +=⇔=


*


0000010000100110

YCBA

1111001101010001

VVA A 51 +=⇔=

VVA A 00 =⇔=CBAY ⋅⋅=

Teoria de Circuitos e Fundamentos de Electrónica:Díodo ideal♦ Rectificador de meia-onda: valor médio da tensão na saída diferente de zero

πoM

OVV =

∫==T

ooO dttvT

vV0

)(1

∫ ∫+=2/

0 2/

011T T

ToMO dt

TdttsenV

TV ω


vivo

+ vD -

CR


*


*

♦ Análise de circuitos com díodos

Teoria de Circuitos e Fundamentos de Electrónica:Díodo ideal♦ Rectificador de meia-onda (precisão)

+

-

voAvs

D

00 <⇒< os vv

so vvonD

=

00 =⇒> os vv

offD

superdíodoD offvD onv

s

s

0 0

<>


so vvonD

=-

+ vo3

Avs vo2

R2

D

R1

00 <⇒> os vv

soo vRRvv

onD

1

232 −==

sos vvv =⇒< 0

soRR vviioffD =⇒== 321 0

Não há cc virtual (malha aberta)


-

+ vo3

Avs

R2

vo2

D1

D2

R1

00 <⇒> os vv

soo vRRvv

onDoffD

1

232

2

1

−==


♦ Rectificador de meia-onda (precisão)

D1 assegura o funcionamento do ampop em malha fechada: v- = 0 e portanto v-=0

-

+ vo3

Avs

R2

vo2

D1

D2

R1

00 >⇒< os vv

00

2

3

2

1

=== −

o

o

vvvoffDonD

Teoria de Circuitos e Fundamentos de Electrónica:Díodo real

−= 1T

DnVv

SD eIi

*



♦ n depende do tipo de junção (abrupta ou gradual)

−= 1T

DnVv

SD eIi

21 == nn



♦ VT tensão térmica

−= 1T

DnVv

SD eIi

21 == nn

qkT

VT =

( )CmVVT º2585,25=




♦ k constante de Boltzman

−= 1T

DnVv

SD eIi

21 == nn

qkT

VT =

1231038,1 −−= JKk

( )CmVVT º2585,25=




– k constante de Boltzman– q carga do electrão– T temperatura absoluta (ºK)

−= 1T

DnVv

SD eIi

21 == nn

qkT

VT =

1231038,1 −−= JKk

( )CmVVT º2585,25=

Asq 191060,1 −=


♦ IS corrente inversa de saturação♦ Valor de IS depende da área e da temperatura

−= 1T

DnVv

SD eIi SDD Iiv −=⇒−∞→


Vγ tensão de limiarDi

γV Dv

00 =⇒< DD iv

γVvi DD ≈⇒> 0

Di

γV Dv

Di

γV Dv

DR1

Teoria de Circuitos e Fundamentos de Electrónica:Díodo real♦ Rectificador de meia-onda

vivo

+ vD -

R

*

Di

γV Dv


vivo

vγ

* *

γVvi ≥

Dio Vvv −=

ioDi vvVv ≈⇒>>


vivo

vγ

*

γVvi ≥

vivo

γVvi <

Teoria de Circuitos e Fundamentos de Electrónica:Díodo real♦ Rectificador de meia-onda

vivo

+ vD -

R

*

Di

γV Dv

DR1


* *

γVvi ≥

vivo

vγ

R

RD

( )D

i RRRVvv+

−= γ0

DioD VvvRR −≈⇒>>

ioDiD vvVvRR ≈⇒>>>> ;


* *

γVvi ≥

vivo

γVvi <

vivo

vγ

R

RD

( )D

i RRRVvv+

−= γ0

vivo

+ vD -

R

Rectificador


* *

vivo

+ vD -

R

Exemplo

vivo

+ vD -

R

Díodo: Vγ = 0.65 V rD = 20 Ω

R = 1 kΩ

vi = 2 sen(2π103 t)

0.65 vi(V)

vo(V)

( )020.01

165.00 +−=

kkvv i

1020.01

1 ≈+k

k


vivo

+ vD -

R

Exemplo

vivo

+ vD -

R

t

vi,, vo

( )020.01

165.00 +−=

kkvv i

(V)

0,65 V2 V

1.35 V


* *

vivo

+ vD -

R

Exemplo

vivo

+ vD -

R

Díodo: Vγ = 0.65 V rD = 20 Ω

R = 100 Ω

vi = 2 sen(2π103 t)

0.65 vi(V)

vo(V)

( )20100

10065.00 +−= ivv

83.0


vivo

+ vD -

R

Exemplo

vivo

+ vD -

R

( )20100

10065.00 +−= ivv

t

vi,, vo (V)

2 V

1.12 V

( ) Vv 12.183.065.020 =×−=


* *

γVvi ≥

vivo

+ vD -

RγVVIM ≥

AV

VIMγ−≥

-

+ vo3

Avi 10k

10k

vo2

D1

D2

Rectificador

Rectificador de precisão


* *

Di

γV Dv

-

+ vo

Avi voA

D1

D2

R2

R1

∞≠A


♦ Quando o díodo D1 está em condução

-

+ vo

Avi

R2

R1 Vγ

voA

- +

AV

vvi oRγ−==⇒= −02

−= vvo

γVvvoA += −

D2 está cortado


♦ Díodo D1 em condução e D2 cortado, enquanto

-

+ vo

Avi

R2

R1 Vγ

voA

- +

AV

vvi oRγ−==⇒= −02

AV

viγ−<


♦ D2 em condução e D1 cortado

-

+ vo

Avs

R2

R1 Vγ

voA

−=

−=

=−+−

−

−−

γVvvA

vv

Rvv

Rvv

ooA

oA

oi 021

1RA

vvi

oAi

D

+=


♦ D2 em condução e D1 cortado enquanto

AV

VAA

vA

Vvv io

iγ

γγ −+−=

−> 2

2

AV

AAvi

γ−>

+ 2

211

AV

viγ−>

0>Di

-

+ vo

Avs

R2

R1 Vγ

voA

01

>−= −

Rvvi i

D

Teoria de Circuitos e Fundamentos de Electrónica:Díodo real♦ D2 em condução

*

021

=+

++

RA

vv

RA

vv oAo

oAi

( ) ( ) γVARRR

RRvARRR

ARv io121

21

121

2

++++

++−=

021

=

−+

+

−+

RA

Vvv

RA

Vvv o

oo

iγγ

io vRRv

1

2−≈


*



*

Di

γV Dv

−= 1T

DnVv

SD eIi

T

DnVv

SDSD eIiIi ≈⇒>> S

DTD I

inVv ln=

Di

γV Dv

I

1T 2T

21 TT >

CmVTvD /º2−=

∆∆

Teoria de Circuitos e Fundamentos de Electrónica:Díodo zener


Teoria de Circuitos e Fundamentos de Electrónica:Díodo

vi vo

+ vD -

CR

vx

Zo Vv =


vi vo

Díodo: Vγ = 0,65 V VΖ = 5,2 V

rD = 0 Ω rZ = 0 Ω

vi = 10 sen(2π103 t)

t

(V)

-0,65 V

5,2 V

Limitador


vivo

Díodo de zener: Vγ = 0.65 V VΖ = 5.2 V

rD = 0 Ω rZ = 0 Ω

vi = 20 sen(2π103 t)

t

(V)

-5,85 V

5,85 V

Limitador

Teoria de Circuitos e Fundamentos de Electrónica:Junção semicondutora

♦ Junção de material semicondutor com dois tipos de impurezas (n e p)

♦ Material semicondutor intrínseco (sem impurezas) – Com condutividade eléctrica entre condutor e isolante – Silício (Si) e Germânio (Ge)



♦ Semicondutor intrínseco: estrutura cristalina em que os electrões dos átomos vizinhos formam ligações designadas por ligações covalentes.

♦ A 0º K não as ligações covalentes estão intactas, não havendo electrões livres e portanto não há condução.



♦ À temperatura ambiente há quebra de algumas ligações covalentes ionização térmica, havendo electrões livres (e lacunas).

♦ O nº de electrões livres e o nº de lacunas depende da temperatura

n – nº de electrões livres

p – nº de lacunas

n = p = ni


♦ k é a constante de Boltzmann, EG o valor mínimo da energia para quebrar uma ligação covalente (EG = 1,12 eV para o silício) e B = 5,4 ×10-31 para o silício.

♦ Para T = 300º K:ni = 1,5 × 1010 electrões/cm 3

numa concentração de 5 × 1022 átomos/cm 3

numero de electrões livres muito pequeno face ao número de átomos: mau condutor à temperatura ambiente


♦ Diferenças na concentração de portadores provocam movimentos das carga: corrente de difusão

♦ Campos eléctricos provocam movimentos das cargas: corrente de deriva

dxdnqDJ nn −=

dxdpqDJ qq −=

Coeficiente de difusão:

Dp = 12 cm2/s

Dn = 34 cm2/s

EqnqnvJ nderivann µ==

EqpqpvJ pderivapn µ== qkTVDD

Tn

n

n

n ===µµ

Vspn 13505,2 =×= µµ


♦ Semicondutor dopado com material (fósforo) com átomos (dadores) com 5 electrões na última camada.

♦ Fica um electrão livre: semicondutor extrínseco de tipo n.♦ Os electrões são os portadores maioritários e as lacunas minoritários.

ND número de átomos dadores (equlíbrio térmico)

nn0 número de electrões a Tambientepn0 número de lacunas a Tambiente

Dno Nn ≈

nonoi pnn =2D

ino N

np2

≈


♦ Semicondutor dopado com material (boro) com átomos com 3 electrões na última camada.

♦ Fica uma lacuna livre. Semicondutor é do tipo p.♦ As lacunas são os portadores minoritários e os electrões maioritários.

NA número de átomos aceitadores

np0 número de electrões a Tambiente

pp0 número de lacunas a Tambiente

Apo Np ≈

popoi pnn =2

A

ipo N

nn2

≈

♦ Semiconductores de tipo p e n encostados♦ Há movimento de portadores devido à diferença da concentração

(difusão): corrente ID♦ Junto à junção não há electrões livres nem lacunas (zona de

carga espacial)


♦ O campo eléctrico formado na zona de carga espacial opõe-se à corrente de difusão, atingindo-se um equilíbrio.

♦ Distribuição de tensão na junção: barreira de potencial. ♦ Não há movimento de cargas.


♦ A tensão criada na junção gera uma corrente de deriva IS que acelera os portadores minoritários, electrões do lado p e as lacunas do lado n:

♦ IS fortemente dependente da temperatura


SD II =


= 20 ln

i

DAT n

NNVV [ ]VVVKT 8.0,6.0º300 0 ∈⇒=


♦ NA ≠ ND a largura da zona carga espacial é diferente dos lados p e n (ma zona é em geral muito mais fortemente dopada)

D

A

p

nDnAp N

NxxANqxANqx =⇔= 0

112 VNNq

WDA

sidep

+= ε

Wzce [0,1µm, 1µm]


♦ Junção pn com polarização inversa: corrente I♦ Aumenta a largura da zona de carga espacial e a tensão na zona

de carga espacial também aumenta (maior que V0). ID diminui.♦ A corrente de difusão diminui IS (mantém-se)

DS III −=


♦ Em polarização inversa, a junção comporta-se como um condensador de pratos paralelos

depj W

AC ε=

( )RDA

sidep VV

NNqW +

+= 0

112ε

0

0

1VV

CC

R

jj

+=


♦ I > IS a zona de carga espacial aumenta e a corrente ID diminui, não havendo equilíbrio, dá-se uma disrupção: efeito de zener ou de avalanche

DS III −=

Teoria de Circuitos e Fundamentos de Electrónica:Junção semicondutora♦ Efeito de zener: o campo eléctrico da zona de carga espacial provoca

a quebra das ligações covalentes gerando pares electrão lacuna, aumentando o número de portadores sem aumento da tensão de junção.

♦ Efeito de avalanche: o campo eléctrico acelera os portadores minoritários cuja energia cinética origina provoca a quebra das ligações covalentes nos átomos com quem colidem.

♦ A junção pn com polarização directa: enfraquece o campo eléctrico da junção e favorece o movimento de difusão dos portadores maioritários

ID aumenta


♦ Díodos schottky− Metal (ânodo) e semicondutor tipo n (cátodo)

− Mais rápidos (armazenamento de carga)− Menor Vγ

♦ Varicap ou varactor− Capacidades variáveis

♦ Fotodíodos− Polarização dá-se por incidência de fotões que geram

electrões♦ LEDs

− Arsenieto de gálio (díodo de laser utilizados em CDs e comunicação óptica)

Teoria de Circuitos e Fundamentos de Electrónica:Tipos de díodos especiais

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