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Campos Campus-Centro Eletrônica Analógica Diodos Capítulo 2 e 3 Jessika Nunes 2025.2 Condutores Para entender o que é um material condutor usaremos um exemplo: o cobre. O átomo de cobre contém 29 prótons e 29 elétrons circulando o núcleo quando com carga neutra. Os elétrons viajam em camadas distintas: 2 elétrons na primeira órbita, 8 elétrons na segunda, 18 na terceira e 1 na órbita externa. Átomo de Cobre Diagrama do núcleo do átomo de cobre Quanto maior a órbita de um elétron, menor a atração do núcleo, pois quanto mais externo, mais lentamente o elétron circula núcleo. A camada de valência (órbita mais externa) controla as propriedades elétricas do átomo. Como a atração entre o núcleo e o elétron de valência é muito fraca, uma força externa pode deslocar facilmente este elétron do átomo de cobre. Por isso o cobre é um bom condutor. O menor valor de tensão pode fazer os elétrons livres se deslocarem de um átomo para outro. Os melhores condutores possuem um elétron de valência, enquanto os melhores isolantes possuem oito elétrons de valência. Condutores Melhores Condutores: Condutores Fonte: https://www.researchgate.net/publication/340261725/figure/fig1/AS:874336659439618@1585469512291/Figura-2-Condutividade-Eletrica-a-temperatura-ambiente-para-nove-metais-25C.ppm Melhores Isolantes: Condutores Tabela Isolante O semicondutor é um elemento com propriedades elétricas entre as do condutor e as do isolante. Assim, os melhores semicondutores possuem quatro elétrons de valência. O germânio é um semicondutor com quatro elétrons na órbita de valência e há muitos anos era o único material disponível para a fabricação de dispositivos semicondutores. Mas esses dispositivos de germânio tinham uma falha, sua corrente reversa era excessiva, e os engenheiros não conseguiram superar. Por isso o silício, outro semicondutor, tornou-se mais utilizado e fez o germânio tornar-se obsoleto. As vantagens do silício fizeram dele a melhor escolha para a fabricação dos semicondutores da eletrônica moderna. Semicondutores Cada átomo de silício compartilha seus elétrons com quatro átomos vizinhos por meio de uma ligação covalente. Os átomos compartilham seus elétrons de tal modo que passam a existir oito elétrons na sua órbita de valência, produzindo uma estabilidade química que resulta num corpo sólido de material de silício. Esses átomos combinados e organizados num padrão ordenado formam o cristal de silício. O átomo de cristal tem quatro vizinhos Ligação covalente Semicondutores Cristal de Silício Quando o ambiente está acima de zero absoluto (–273 ºC), o aquecimento deste ambiente provoca uma agitação no cristal de silício. Agitação dos átomos de silício As vibrações dos átomos podem ocasionalmente deslocar um elétron da órbita de valência. Quando isso acontece, o elétron liberado ganha energia suficiente para mudar para outra órbita mais externa, tornando-se um elétron livre. Semicondutores Cristal de Silício A saída do elétron cria um vazio na órbita de valência chamado de lacuna que comporta-se como uma carga positiva, pois a perda de um elétron produz um íon positivo. A lacuna vai atrair e capturar outro elétron imediatamente mais próximo, fazendo a recombinação. Na temperatura ambiente, a energia térmica produz apenas alguns elétrons livres e devido a isso o cristal de silício age como um isolante. Semicondutores Cristal de Silício Um cristal de silício entre placas metálicas carregadas positivamente de um lado e negativamente de outro produz um elétron livre e uma lacuna. O elétron livre é repelido para o lado positivo da placa, passando de lacuna em lacuna até alcançar a lateral, formando um fluxo de elétrons livres. Os elétrons se movimentando para o lado positivo da placa vão deixando lacunas por onde passam. As lacunas que estavam próximas ao lado positivo vão se “movendo” para o lado negativo devido ao fluxo de elétrons, criando um fluxo de lacunas. Semicondutores Cristal de Silício Um cristal com o mesmo número de elétrons livres e lacunas é conectado a uma fonte de tensão como ilustra a figura. A tensão aplicada forçará os elétrons livres a circular para o lado esquerdo e as lacunas, para o lado direito. Quando os elétrons alcançam o lado final esquerdo do cristal, esses passam para o fio externo e circulam para o terminal positivo da bateria. Por outro lado, os elétrons livres do terminal negativo da bateria circulam para o final direito do cristal e entram e recombinam-se com as lacunas até alcançarem o final direito do cristal. Semicondutores Cristal de Silício Desse modo, um fluxo estável de elétrons livres e lacunas ocorre dentro do semicondutor com um efeito combinado de dois tipos: o fluxo de elétrons livres em uma direção e o fluxo de lacunas em outra. O átomo de silício puro é um semicondutor intrínseco. Semicondutores Cristal de Silício Uma forma de aumentar a condutividade de um semicondutor é pelo processo de dopagem, que consiste em adicionar átomos de impureza ao cristal intrínseco a fim de alterar sua condutividade elétrica. Para aumentar os elétrons livres deve-se fundir o cristal de silício puro até que esteja em estado líquido e adicionar átomos pentavalentes. Esses átomos são doadores de impurezas e cederão um elétron adicional para o cristal de silício. Semicondutores Dopagem Os átomos pentavalentes utilizados são arsênico, antimônio e fósforo. Controlando a quantidade deles no cristal, controla-se precisamente as propriedades do semicondutor. Quanto mais impureza é adicionada, maior é a condutividade. Um semicondutor levemente dopado tem uma alta resistência, enquanto que um fortemente dopado tem baixa resistência. A dopagem com átomos pentavalentes geram semicondutores do tipo n, onde n quer dizer negativo. Semicondutores Dopagem Cristal extrínseco do tipo n: Semicondutores Dopagem Para aumentar o número de lacunas do cristal de silício, usam-se átomos trivalente, geralmente alumínio, boro e gálio. Esses átomos são receptores de impurezas e receberão um elétron adicional para o cristal de silício. Essa forma de dopagem gera cristais de silício do tipo p, onde significa positivo. Semicondutores Dopagem Cristal extrínseco do tipo p: Semicondutores Dopagem Semicondutores Bandas de Energia Quando um átomo de silício está isolado, a órbita de um elétron é influenciada somente pela carga desse átomo. Mas quando o átomo de silício é parte de um cristal, a órbita de cada elétron é influenciada pelas cargas de vários outros átomos de silício. Semicondutores Bandas de Energia Bandas de energia tipo n Para um semicondutor tipo n, os portadores majoritários são os elétrons livres na banda de condução, e os portadores minoritários são as lacunas na banda de valência. Semicondutores Bandas de Energia Bandas de energia tipo p Para um semicondutor tipo p, os portadores majoritários são as lacunas na banda de valência e os portadores minoritários são os elétrons livres na banda de condução. Semicondutores Bandas de Energia Quanto maior a banda proibida, maior a dificuldade para a energia térmica produzir pares elétron-lacuna. O silício tem uma larga banda proibida, então a energia térmica não produz muitos ions na temperatura ambiente. Em um átomo de germânio, a banda de valência é muito próxima da banda de condução, e a banda proibida é muito menor do que a do silício. Assim, a energia térmica produz muito mais pares elétron- lacuna. Essa é a imperfeição fatal. A corrente inversa excessiva dos dispositivos de germânio impede seu uso em larga escala nos computadores modernos, consumidores eletrônicos e circuitos de comunicação. Semicondutores Bandas de Energia Diodo Quando dopa-se um cristal de modo que metade dele é do tipo p e a outra metade do tipo n, temos um cristal pn também chamado de diodo de junção. A repulsão faz os elétrons livres do lado n se difundiremem todas as direções, inclusive através da junção. Logo que entra na região p, o elétron se recombina com uma lacuna criando um par de íons. O lado n, ganha um íon positivo, e o lado p, um íon negativo, que ficam fixos na estrutura do cristal em virtude da ligação covalente. Diodo Cada par de íons positivos e negativos na junção é chamado de dipolo e à medida que o número desses aumenta, a região próxima da junção torna-se vazia de portadores de carga, formando uma camada de depleção. Existe um campo elétrico entre o lado p e o lado n que aumenta a intensidade cada vez que um elétron cruza a junção até atingir o equilíbrio. Diodo O terminal negativo da fonte CC está conectado ao material tipo n e o terminal positivo ao tipo p. Se a tensão aplicada for maior do que a barreira de potencial (0,7V), o diodo de silício terá uma corrente contínua no sentido direto. V0,7 Diodo Polarização Direta Na tensão de 0,7 V da barreira de potencial a corrente no diodo começa a aumentar rapidamente. A esse ponto chamamos de tensão de joelho. Uma vez vencida a barreira, tudo o que impede a passagem da corrente é a resistência ôhmica das regiões p e n. A soma dessas resistências é chamada de resistência de corpo do diodo. A definimos como: RB = RP +RN RB depende do tamanho das regiões p e n, e de quão dopadas elas são. Em geral é menor de 1 Ω. Diodo Polarização Direta Dissipação de potência do diodo: PD = VDID O valor da potência nominal é a potência máxima que um diodo pode dissipar seguramente sem diminuir sua vida útil ou degradar suas propriedades. Calcula-se por: Pmáx = VmáxImáx Diodo Polarização Direta A temperatura da junção, que é a temperatura do diodo na junção pn, quando o diodo está conduzindo é mais alta que a temperatura ambiente por causa do calor gerado pela recombinação. A barreira de potencial depende da temperatura da junção. Um aumento na temperatura gera mais elétrons livres e lacunas nas regiões dopadas, tornando-as mais estreitas. Existe uma menor barreira de potencial com a temperatura da junção mais alta. Diodo Polarização Direta Regra: A barreira potencial de um diodo de silício diminui de 2mV para cada grau Celsius de aumento. Como uma derivação: = Diodo Polarização Direta Diodo Polarização Direta Diodo Polarização Direta O terminal negativo da fonte de tensão CC está conectado do lado p, e o positivo do lado n, produzindo uma polarização reversa. O terminal negativo atrai as lacunas, e o positivo, atrai os elétrons livres, afastando-os da junção e tornando a camada de depleção mais larga. Quanto mais larga a camada, maior é a diferença de potencial, e essa só pára de aumentar quando sua ddp iguala-se ao valor da tensão reversa aplicada. Diodo Polarização Reversa Num diodo polarizado reversamente, enquanto a camada de depleção está se ajustando para sua nova largura com os elétrons livres e as lacunas se afastando da junção, íons positivos e negativos ficam para trás fazendo circular uma corrente. Essa corrente de transiente cai a zero quando a camada de depleção pára de crescer. Diodo Polarização Reversa A energia térmica gera continuamente pares de elétrons livres e lacunas, quando dentro da camada de depleção os elétrons podem conseguir cruzar a junção fazendo circular uma pequena corrente no circuito. Essa corrente reversa é chamada de corrente de saturação. Quanto maior a temperatura na junção, maior a corrente de saturação. IS dobra para cada 10ºC. Porcentagem ΔIS = 100% para cada aumento de 10ºC Diodo Polarização Reversa Se a variação na temperatura for menor que 10ºC, podemos usar esta regra equivalente: Porcentagem ΔIS = 7% por ºC Esta solução de 7% é uma aproximação melhor do que a regra de 10ºC. Diodo Polarização Reversa Os átomos que estão sobre a superfície do cristal não têm quatro vizinhos, fazendo somente três ligações e possuindo seis elétrons na órbita de valência. Existem duas lacunas em cada átomo da superfície fazendo com que sejam como um semicondutor tipo p por onde os elétrons podem circular. Desse modo, obtemos uma pequena corrente inversa (do negativo para o positivo) ao longo da superfície chamada corrente de fuga. Diodo Polarização Reversa Essa corrente é diretamente proporcional à tensão reversa. Se a tensão reversa dobrar, a corrente de fuga da superfície ISL dobra. Podemos definir a resistência de fuga da superfície como: A principal ideia a lembrar é que a corrente é aproximadamente zero em um diodo de silício reversamente polarizado. Diodo Polarização Reversa Diodo Polarização Reversa Diodo Polarização Reversa Existe um limite de tensão que pode ser aplicada num diodo reversamente polarizado sem que ele se danifique. Se continuar a aumentar a tensão reversa, eventualmente atinge-se a tensão de ruptura do diodo, e esse passa a conduzir intensamente. Isso ocorre, porque o aumento da tensão, força os elétrons a se moverem mais rapidamente e, consequentemente, colidir com os átomos do cristal e seus elétrons de valência produzindo novos elétrons livres. Chama-se isso de efeito avalanche. Diodo Polarização Reversa Diodo O diodo está polarizado diretamente ou reversamente? Diodo Tipos de encapsulamento do diodo: Diodo Diodo Curva do Diodo Quando o diodo está polarizado diretamente, não há uma corrente significante enquanto a tensão no diodo não for maior do que a barreira de potencial. Diodo Curva do Diodo Quando o diodo está polarizado reversamente não há corrente inversa no diodo enquanto a tensão no diodo não atingir a tensão de ruptura. Depois, a avalanche produz uma corrente inversa alta destruindo o diodo. Tem resistência zero quando polarizado diretamente e resistência infinita quando polarizado reversamente. Age como uma chave que fecha quando polarizado diretamente e abre-se quando polarizado reversamente. Diodo Diodo Ideal Use o diodo ideal para calcular a tensão e a corrente na carga na Figura. Diodo Diodo Ideal Diodo Diodo Ideal Não existe corrente enquanto a tensão no diodo não for 0,7 V. A partir deste ponto o diodo começa a conduzir, mas a tensão se mantém em 0,7 V, independente do valor da corrente. Age como uma chave em série com uma barreira de potencial de 0,7 V. Diodo Segunda Aproximação Use a segunda aproximação para calcular a tensão e corrente na carga e a potência no diodo na Figura. Diodo Diodo Segunda Aproximação Diodo Diodo Segunda Aproximação Incluí-se a resistência de corpo RB. Após o diodo de silício entrar em condução, a tensão aumenta linearmente com o aumento da corrente. Diodo Terceira Aproximação Diodo É a resistência total, a soma da resistência de corpo mais o efeito da barreira de potencial. É obtida dividindo a tensão total no diodo pela corrente total. No sentido de condução direta, é simbolizada por RF; no sentido de condução reversa, ela é designada por RR. Diodo Resistência CC Recurso usado para calcular o valor exato da corrente e da tensão no diodo. Usa-se o gráfico do diodo com uma reta linear dos valores de carga. Traçando o gráfico: O circuito mais simples das configurações com um diodo será analisado pela lei de Kirchhoff determinando valores de corrente e tensão que vão satisfazer ao mesmo tempo tanto as características do diodo quanto os parâmetros do circuito. Diodo Retas de Carga Equação do circuito: + E - VD - VR = 0 E = VD + IDR Onde: E é tensão da fonte; VD é a tensão no Diodo; IDR é a tensão na carga, usando a fórmula V=RI. Diodo Retas de Carga Traçando o gráfico: Para estabelecer a linha de carga, considera-se duas situações. Na primeira tem-se o diodo ideal polarizado diretamente, onde VD = 0 V. Não há queda de tensão no diodo que funcionacomo uma chave fechada. Assim, o valor da corrente dependerá somente da fonte E e da carga R. Para VD = 0 E = VD + IDR E = 0V + IDR ID = E / R Intersecção com eixo vertical Diodo Retas de Carga Traçando o gráfico: Na segunda, tem-se o diodo ideal polarizado reversamente, onde ID = 0 V. Não há passagem de corrente pelo diodo que funciona como uma chave aberta. Assim, o valor da tensão no diodo será igual ao valor da fonte. Para ID = 0 E = VD + IDR E = VD + (0A) R VD = E Intersecção com eixo horizontal Diodo Retas de Carga Traçando o gráfico: Uma linha traçada entre os dois pontos encontrados definirá a reta de carga. Diodo Retas de Carga Traçando o gráfico: Ao traçar a linha no gráfico do diodo haverá um ponto de interseção da reta de carga com a curva característica do diodo. Chamado de ponto Q (quiescente), é o ponto de operação para o circuito, sendo o único ponto no gráfico que trabalha para diodo e circuito. O valor de Q no eixo vertical consiste na corrente no diodo ID (e de todo circuito em série). Já o valor no eixo horizontal leva a determinação da tensão do diodo VD . Diodo Retas de Carga Para a configuração em série do diodo da figura abaixo, empregando a curva característica do diodo, também fornecida abaixo, determine: a) VDQ e IDQ ; b) VR . Diodo Retas de Carga Solução: ID = E / R = 10V/0,5 kΩ = 20 mA VD = E= 10V Diodo Retas de Carga Solução: VR = E - VD = 10V - 0,78V = 9,22 Diodo Retas de Carga image2.png image3.png image4.png image5.jpeg image6.png image7.GIF image8.GIF image9.png image10.png image11.png image12.png image13.png image14.jpeg image15.png image16.png image17.png image18.png image19.png image20.png image21.jpeg image22.png image23.png image24.png image25.png image26.png image27.png image28.png image29.png image30.png image31.png image32.png image33.png image34.png image35.png image36.png image37.png image38.png image39.png image40.png image41.png image42.png image43.png image44.png image45.png image46.png image47.png image48.png image49.png image50.png image51.png image52.png image53.png image54.png image1.jpeg