O diodo ideal

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O diodo ideal
Diodos elemento de circuito não-linear mais
simples e fundamental.
Característica i-v
símbolo
(c) Circuito equivalente na polarização reversa
(d) Circuito equivalente na polarização direta
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Modelo equivalente polarização direta e reversa

• Característica i-v não-linear
• Característica i-v ideal não-linear, mas linear
  por partes.
• Terminal positivo anodo
• Terminal negativo catodo.

Os dois modos de operação de diodos ideais e o
uso de um circuito externo para limitar a
corrente direta e a tensão reversa.
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Uma aplicação simples o retificador

• Retificador pode ser utilizado para gerar um
  sinal cc a partir de um sinal ca.

(a) Circuito retificador
(b) Valor médio (ou componente cc) nulo.
(c) Circuito equivalente quando vI ? 0.
(e) Valor médio (ou componente cc) finito
não-nulo.
(d) Circuito equivalente quando vI ? 0.
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Exercícios

• Exercício 3.1 Determine a curva característica
  de transferência vo ? vi do circuito da figura
  anterior item (a).
• Exercício 3.2 Determine a forma de onda de vD.
• Exemplo 3.1 A figura abaixo mostra um circuito
  para o carregamento de uma bateria de 12V. Se vs
  é um sinal senoidal com 24 V de amplitude máxima,
  determine a fração de cada ciclo em que o diodo
  está conduzindo. A seguir, determine o valor de
  pico da corrente do diodo e a tensão reversa
  máxima que surge nos terminais do diodo.

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Exemplo 3.1
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Exemplo de aplicação Portas
lógicas com diodo

• Diodos e resistores podem ser utilizados para
  implementar funções lógicas.
• Considere um exemplo em lógica positiva ? 0V ?
  0 lógico ? 5V ? 1 lógico. Entradas vA, vB e vc.
  Que função lógica é realizada por cada circuito?

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Exemplo Diodos ideais

• Assumindo que os diodos são ideais, encontre os
  valores de I e V nos circuitos da figura abaixo.

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Exemplo Diodos ideais (2)

• Procedimento a ser adotado (1) assumir um
  comportamento plausível (2) proceder com a
  análise (3) checar se a solução obtida é
  plausível.

1a suposição D1 e D2 estão conduzindo ?

• VB 0 e V 0
• ID2 (10 0) / 10 k? 1 mA
• Equação do nó
• B I 1 mA (0 (-10) ) / 5 k?
• I 1 mA
• D1 está conduzindo, conforme assumido
  originalmente, e o resultado final é
• I 1 mA e V 0V.

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Exemplo Diodos ideais (3)

• Vamos adotar o mesmo procedimento.

? 1a suposição D1 e D2 estão conduzindo ? VB
0 e V 0

• ID2 (10 0) / 5 k? 2 mA
• Equação do nó B I 2 mA (0 ( 10) ) / 10
  k? ? I 1 mA.
• Como isto não é possível (por que?), nossa
  suposição inicial está incorreta.
• Nova suposição D1 está cortado e D2 está
  conduzindo.
• ID2 (10 ( 10)) / 15 1,33 mA
• Tensão no nó B VB 10 10?1,33 3,3V
• ? D1 está reversamente polarizado, conforme
  assumido, e o resultado final é I 0A e V 3,3V.

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Exercício 3.4

• Determine os valores de I e V nos circuitos a
  seguir.

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Características terminais de diodos de junção
característica i ? v
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Características terminais de diodos de junção
característica i ? v (2)
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Características terminais de diodos de junção
característica i ? v (3)

• 3 regiões distintas
• A região de polarização direta (v gt 0)
• A região de polarização reversa (v lt 0)
• A região de avalanche (breakdown) (v lt - VZK)
• 1- A região de polarização direta tensão
  terminal v é positiva.
• Nesta região, a relação i ? v pode ser aproximada
  por

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Região de polarização direta

• IS corrente de saturação reversa (ou corrente
  de escala corrente diretamente proporcional à
  seção transversal da área do diodo).
• Para diodos de pequenos sinais (aplicações de
  baixa potência) IS ? 10 15 A
• IS varia fortemente em função da temperatura.
• (IS dobra de valor a cada aumento de 5oC na
  temperatura, aproximadamente).
• VT tensão térmica (constante)
• k constante de Boltzmann 1,38?10-23 J/K
• T temperatura absoluta em Kelvin 273
  temperatura em oC
• q magnitude da carga do elétron 1,60?10-19 C

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Região de polarização direta (2)

• À temperatura ambiente (20oC), VT 25,2 mV.
• Para análises aproximadas rápidas, vamos utilizar
  VT ? 25 mV à temperatura ambiente (em 25oC, VT ?
  25,8 mV)
• n (constante) para um diodo, 1 ? n ? 2. Em
  geral, vamos assumir n 1 (em CIs n 2 em
  componentes discretos)
• i gtgt IS

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Região de polarização direta (3)

• Considere a relação i ? v na equação anterior
• corrente I1 correspondendo a uma tensão no diodo
  V1
• corrente I2 correspondendo a uma tensão no diodo
  V2

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Região de polarização direta (4)

• Para uma mudança de uma década (um fator de 10)
  na corrente, a queda de tensão no diodo varia de
  um fator de 2,3nVT
• n 1 ? ? 60mV n 2 ? ? 120mV (curva
  característica gráfico semilog v (linear) ? i
  (log) ? linha reta com inclinação de 2,3nVT por
  década de corrente).
• Sem o conhecimento de n inclinação de ? 0,1V/dec
  costuma ser utilizada.

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Região de polarização direta (5)

• Da curva característica i ? v corrente muito
  pequena para tensões menores do que ? 0,5V ?
  tensão de joelho do diodo (conseqüência da
  relação exponencial entre i e v ).
• Diodo diretamente polarizado em condução total
  queda de tensão entre 0,6 e 0,8 V,
  aproximadamente ? custuma-se utilizar 0,7V em
  modelos de diodos (de silício).
• Diodos com diferentes correntes nominais de
  operação (ou seja, com áreas diferentes e,
  conseqüentemente, IS diferentes), exibirá esta
  queda de 0,7V em diferentes correntes.
• Diodos de pequenos sinais 0,7V em i 1mA
• Diodos de alta potência 0,7V em i 1A.

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Exemplo 3.3

• Um diodo de silício de 1mA possui uma queda de
  tensão direta de 0,7V na corrente de 1mA. (a)
  Avalie a constante de escala de junção IS no caso
  de se ter n 1 ou n 2. (b) A seguir, determine
  que constantes de escala seriam aplicáveis para
  um diodo de 1A do mesmo fabricante que conduz 1A
  com 0,7V.

(a) Para o diodo de 1mA
(b) Diodo conduzindo 1A com 0,7V corresponde a
1000 diodos de 1mA em paralelo, com uma área de
junção 1000 vezes maior ? IS é 1000 vezes maior,
1pA e 1mA para n 1 e n 2, respectivamente. ?
O valor de n é importante!
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A característica i-v e a temperatura

• IS e VT são funções da temperatura ? a
  característica i-v direta varia com a
  temperatura.
• ? Para uma corrente constante no diodo ? a queda
  de tensão em seus terminais decresce de
  aproximadamente 2mV para cada aumento de 1oC na
  temperatura.

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A região de polarização reversa

• Polarização reversa v lt 0
• ? Se v lt 0 e maior do que VT ? o termo
  exponencial da expressão da corrente no diodo
  torna-se desprezível comparado à unidade ? i ?
  IS a corrente de polarização reversa é
  constante e igual a IS ? corrente de saturação
  reversa.
• Em diodos reais a corrente de saturação reversa
  gt IS .
• A corrente de saturação reversa aumenta um pouco
  com o aumento da tensão de polarização reversa.
• Corrente de saturação reversa proporcional à
  área da junção (assim como IS ).
• Dependência com a temperatura a corrente de
  satuação reversa dobra para cada aumento de 10oC
  na temperatura, aproxim. (IS dobra para cada
  aumento de 5oC na temperatura).

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Exercício 3.9

• O diodo no circuito da figura abaixo é um
  dispositivo grande e de elevada corrente cuja
  corrente de polarização reversa é razoavelmente
  independente da tensão aplicada. Se V 1V a
  20oC, determine o valor de V a 40oC e a 0oC.

Resposta 4V 0,25V.
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A região de avalance (breakdown)

• O diodo entra nesta região de condução quando a
  magnitude da tensão reversa ultrapassa um valor
  limite específico para o diodo em particular
  tensão de avalanche (tensão de joelho na
  polarização reversa) VZK
• Nesta região, a corrente reversa aumenta
  rapidamente, sem que haja um aumento
  significativo da tensão associada.
• A operação nesta região não é necessariamente
  destrutiva, contanto que a potência dissipada no
  diodo seja limitada por um circuito externo a um
  nível seguro (especificado no datasheet do
  fabricante).
• Tensão reversa praticamente constante EFEITO
  ZENER

24
Operação física de diodos Semicondutores

• http//www.comp.ufla.br/giacomin/Com145/Diodo_se
  micond.pdf

• As propriedades elétricas dos semicondutores são
  afetados por variação de temperatura, exposição a
  luz e acréscimos de impurezas.
• Silício e germânio estrutura monocristalina na
  indústria eletrônica elevado grau de pureza
  uma parte para dez bilhões (11010).

25
Semicondutores Estrutura cristalina

• http//www.comp.ufla.br/giacomin/Com145/Diodo_se
  micond.pdf
• http//ece-www.colorado.edu/bart/book/book/chapt
  er2/ch2_2.htm
• Silício e germânio monocristais estrutura
  diamante (ligações covalentes)

26
Estrutura cristalina do silícioFONTE
http//hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/solids/
sili2.html

• Posicionamento de átomos de silício em uma célula
  unitária padrão diamante.
• Cristal semicondutor com ligações covalentes.

27
Semicondutores Níveis ou bandas de energia

• http//hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/solids
  /sili.htmlc3
• Silício e germânio 4 elétrons de valência
  modelo atômico de Bohr

28
Semicondutores Níveis ou bandas de energia (2)

• http//ece-www.colorado.edu/bart/book/book/chapt
  er2/ch2_3.htm
• Bandas de energia da estrutura diamante ?
  constante do reticulado cristalino

29
Bandas de energia do (a) germânio, (b) silício e
(c) arseneto de gálio.
30
Semicondutores Diagrama de bandas simplificado

• http//ece-www.colorado.edu/bart/book/book/chapt
  er2/ch2_3.htm

31
Leituras adicionais

• http//www.comp.ufla.br/giacomin/Com145/Diodo_sem
  icond.pdf - Introdução ao estudo dos materiais
  semicondutores.
• http//ece-www.colorado.edu/bart/book/book/chapt
  er2/ch2_1.htm - Chapter 2 Semiconductor
  fundamentals.
• http//hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/solids
  /intrin.html Semicondutor intrínseco (siga os
  demais links a respeito de semicondutores nesta
  página)
• http//www.play-hookey.com/semiconductors/basic_s
  tructure.html - Basic semiconductor crystal
  structure