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Este documento explica as características do diodo semicondutor, incluindo a formação de junção p-n, a diferença de potencial vγ, polarização direta e inversa, e a corrente de fuga. O texto também discute modelos de diodo ideal e semi-ideal.
Tipologia: Notas de aula
Compartilhado em 07/11/2022
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Formação do Diodo: Junção PN
Formação do Diodo: Junção PN Logo após a formação da junção pn , alguns elétrons livres se difundem do semicondutor tipo n para o semicondutor tipo p. O mesmo processo ocorre com algumas lacunas existentes no semicondutor tipo p que difundem para o semicondutor tipo n.
Formação do Diodo: Junção PN A tensão V γ proporcionada pela barreira de potencial no interior do diodo, depende do material utilizado na sua fabricação. Valores aproximados para os diodos de germânio e silício são V γ = 0 , 3 [V] e V γ = 0 , 7 [V], respectivamente. Não é possível medir diretamente o valor de V γ aplicando um voltímetro conectado aos terminais do diodo, porque essa tensão existe apenas em uma pequena região próxima à junção. No todo, o componente é eletricamente neutro , uma vez que não foram acrescentados nem retirados portadores do cristal. Aspecto e Representação do Diodo O diodo semicondutor é representado em diagramas de circuitos eletrônicos pelo símbolo ilustrado abaixo. O terminal da seta representa o material p , denominado de anodo do diodo, enquanto o terminal da barra representa o material n , denominado de catodo do diodo. p n
Aspecto e Representação do Diodo A identificação dos terminais do componente real pode aparecer na forma de um símbolo impresso sobre o corpo do componente ou ainda o catodo do diodo pode ser identificado através de um anel impresso na superfície do componente: Aplicação de tensão sobre o Diodo
Polarização Direta Se a tensão aplicada aos terminais do diodo excede o valor da barreira de potencial, lacunas do lado p e elétrons do lado n adquirem energia superior àquela necessária para superar a barreira de potencial, produzindo como resultado um grande aumento da corrente elétrica através do diodo. Quando o diodo está polarizado diretamente, conduzindo corrente elétrica sob a condição V > V γ, diz-se que o diodo está em condução. Polarização Inversa A polarização inversa de um diodo ocorre quando o lado n fica submetido a um potencial positivo relativo ao lado p do componente. Nessa situação, os polos da fonte externa atraem os portadores livres majoritários em cada lado da junção; ou seja, elétrons do lado n e lacunas do lado p são afastados das proximidades da junção.
Polarização Reversa Com o afastamento dos portadores majoritários, aumenta não só a extensão da região de cargas descobertas, como também o valor da barreira de potencial através da junção. Com o aumento da barreira de potencial, torna- se mais difícil o fluxo, através da junção, de elétrons injetados pela fonte no lado p e de lacunas no lado n. Como resultado, a corrente através do diodo tende praticamente a um valor nulo. Quando o diodo está sob polarização inversa, impedindo o fluxo de corrente através de seus terminais, diz-se que o diodo está em bloqueio ou na condição de corte. Características Elétricas
Modelo II: Diodo Semi-Ideal Polarização Direta Com respeito às características de condução do diodo semicondutor, deve-se levar em conta que o diodo entra em condução efetiva apenas a partir do momento em que a tensão da fonte externa atinge um valor ligeiramente superior ao valor V γ da barreira de potencial. Deve-se também considerar a existência de uma resistência elétrica através da junção quando o diodo está sob polarização direta. Essa resistência existe em qualquer semicondutor, devido a colisões dos portadores com a rede cristalina do material. O valor da resistência interna dos diodos em estado de condução é normalmente inferior a 1 []. Modelo II: Diodo Semi-Ideal Polarização Direta Assim, um modelo mais aprimorado para o circuito equivalente do diodo em condução pode ser obtido pela associação série de um resistor R D, representativo da resistência direta de condução, com uma fonte de tensão V γ correspondente ao valor da barreira de potencial na junção:
Modelo II: Diodo Semi-Ideal Em situações em que o diodo é utilizado em série com componentes que exibem resistências muito superiores à sua resistência de condução, esta pode ser desprezada e o diodo pode ser considerado como ideal, sem que se incorra em um erro significativo: Modelo II: Diodo Semi-Ideal Polarização Reversa Sempre existe uma corrente de fuga , quando o diodo é inversamente polarizado, correspondendo à passagem de portadores minoritários através da junção. Essa corrente de fuga é geralmente da ordem de alguns [μA], o que indica que a resistência da junção inversamente polarizada pode chegar a vários [MΩ], podendo ser modelado como apresentado abaixo:
Curva Característica O comportamento de qualquer componente eletrônico pode ser expresso através de uma curva característica ou curva VI que representa a relação entre tensão e corrente através dos terminais do componente. Dessa forma, para cada valor da tensão aplicada, pode-se, a partir dos dados da curva característica, obter o valor da corrente que flui no dispositivo e vice-versa. A curva característica do diodo serve para determinar seu comportamento real qualquer que seja o seu estado de polarização, conforme examinado a seguir. Curva Característica Região de Condução Durante a condução, uma corrente I d flui através do diodo, conforme ilustrado abaixo. A medida que aumenta a corrente injetada I d, a queda de tensão V d , observada através dos terminais do diodo, aumenta muito pouco em relação ao valor V γ, como conseqüência do baixíssimo valor da resistência de condução do diodo.
Curva Característica - Condução 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 I d (mA) V d (V) Uma representação gráfica dessa relação tensão corrente para o caso do diodo de silício é mostrada ao lado. Nessa representação, a curva característica do diodo é obtida simplesmente pela união de todos os pontos representativos dos pares de valores possíveis de corrente I d e tensão V d, através do diodo no regime de condução. 0
V I 0 0 P I d V d Curva Característica - Condução A obtenção do valor de tensão V 0 que corresponde a um dado valor de corrente I 0 , é feita traçando-se inicialmente uma linha horizontal a partir do ponto sobre o eixo vertical correspondente ao valor I 0. Essa linha intercepta a curva no ponto P. Traçando-se a partir de P uma linha vertical, obtém-se a interseção com o eixo horizontal no ponto V 0 que é o valor desejado da queda de tensão nos terminais do diodo.
- - 0 50 100 150 -1 -0,8 -0,6 -0,4 -0,2 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 I (^) d(mA) V (^) d(V) I d(A) Curva Característica - Bloqueio Como em polarização direta a corrente é tipicamente mais de
Limites de Operação No regime de polarização inversa, a tensão através do diodo é o parâmetro diretamente influenciado pelo circuito de alimentação. A corrente de fuga não é muito influenciada pelo circuito externo pois depende apenas das propriedades materiais do diodo. Dessa forma, os limites de operação do diodo são definidos pela corrente de condução máxima e tensão inversa, ou reversa, máxima descritas a seguir. Corrente Direta Máxima - IDM A corrente máxima de condução de um diodo é fornecida pelo fabricante em um folheto de especificações técnicas. Nesses folhetos, a corrente máxima de condução aparece designada pela sigla I F, com a abreviação F simbolizando a palavra inglesa forward que significa para a frente , direto(a) etc. Na tabela abaixo são especificados valores de I F para dois tipos comerciais de diodos. TIPO I F SKE 1/12 1,0 A 1n4004 1,0 A
Tensão Reversa Máxima - VBR TIPO V R 1N4001 50 V BY127 800 V BYX13 50 V SKE1/12 1.200 V Bibliografia
