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09/03/2017
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UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ
DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE ELETROTÉCNICA
ELETRÔNICA 1 - ET74C
Prof.ª Elisabete Nakoneczny Moraes
Aula 3- MODELO ELÉTRICO DO
DIODO SEMICONDUTOR
Curitiba, 10 março de 2017.
10 Mar 17 AT03-Modelo elétrico do diodo 2
CONTEÚDO DA AULA
1. REVISÃO: formação do diodo
2. CONTEXTUALIZAÇÃO
3. MODELOS ELÉTRICOS DO DIODO
4. NÍVEIS DE RESISTÊNCIA
5. DIODOS EM SÉRIE E PARALELO
6. EXERCÍCIOS
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3-FORMAÇÃO DO DIODO SEMICONDUTOR
Junção PN
Processo de
recombinação dos
portadores dá
origem a uma região
desprovida de
portadores de carga
elétrica móveis
região de depleção
ou camada de
depleção.
1-REVISÃO: POLARIZAÇÃO DIRETA & REVERSA
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POLARIZAÇÃO DIRETA
+ -A K
-
-- -- -
-
Cristal P Cristal N
++
+++
++
+ -
-
+ -
---
++
+
POLARIZAÇÃO REVERSA
+-A K
-
-- -- -
-
Cristal P Cristal N
++
+++
++
+ --
+-
Vcc
*A tensão da camada de depleção é um valor teórico e que na prática poderá variar:
0,5V < Si < 0,75 V0,2V < Ge <0,3 V
Vcc
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1-REVISÃO: CURVA CARACTERÍSTICA
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VD (V)
ID (A)
VjIs
Is corrente de saturação.
Resultante do movimento dos
portadores minoritários.
Polarização reversa Polarização direta
Curva característica do diodo
ID = f(VD)
Tensão de Corte: Corrente direta
desprezível
Vc
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2-CONTEXTUALIZAÇÃO
Para a análise do diodo semicondutor, será estudado:
MODELO ELÉTRICO MODELO MATEMÁTICO
A simplificação utiliza estruturas elétricas
elementares e de formulação conhecidas:
resistor, capacitor e indutor,
chave,
fonte dependente ou independente,
...
)1( T
D
V
V
SD eII
Um modelo científico é uma idealização simplificada de um sistema
que possui maior complexidade, mas que ainda assim supostamente
reproduz na sua essência o comportamento do sistema complexo que
é o alvo de estudo e entendimento (Wikipédia).
Os modelos podem ser classificados como abstratos, conceitual, gráfico,
matemático entre outros.
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3-MODELO ELÉTRICO DO DIODO
O diodo semicondutor pode ser representado através de 3 modelos:
1) Ideal
VD
ID
Vj
VD
ID ID
VD
Vj
3) Linear2) Simplificado
Boylestad seções: 1.7 e 2.3 a 2.10
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3-MODELO IDEAL DO DIODO
Considera-se o diodo unicamente como uma chave eletrônica que
pode assumir as condições:
Aberta polarização reversa Fechada polarização direta
+-A K
+ -A K ID
Chave eletrônica fechada:
VD0
ID limitada pelas condições
do circuito
Chave eletrônica aberta:
VD=Vfonte
ID=0
VD
ID
Curva característica
Id=f(Vd)
Polarização
reversa
Polarização
direta
A K
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3-MODELO SIMPLIFICADO DO DIODO
Considera-se o diodo como uma chave eletrônica que pode assumir
as condições aberta ou fechada em série com uma fonte de
tensão cujo valor corresponde ao valor da tensão da barreira de
potencial, no caso “Vj”.
Outras possíveis designações para Vj: Vth ou VT(threshold), V (limiar),
VD (diodo).
Vj VD
ID
Curva característica: Id=f(Vd)
DIODO
IDEAL
A K
Vj=0,7V para Si
Vj=0,3V para Ge
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3-MODELO LINEAR DO DIODO
Além do próprio diodo, considera-se a tensão da barreira de potencial
– Vj, VT e a resistência AC média - rav
A inserção da resistência modela o comportamento ôhmico de um resistor.
DIODO
IDEAL
AK
VD
ID
Vj
Curva característica: Id=f(Vd)
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4-NÍVEIS DE RESISTÊNCIA –DIODO REAL RESISTÊNCIA DC OU ESTÁTICA
A natureza da tensão aplicada ao diodo (forma de onda), define um
ponto de operação (Q). Esse por sua vez introduz níveis de resistência
distintos para cada tipo de sinal aplicado aos seus terminais.
1. Resistência DC ou Estática (RD)
Quando o diodo está submetido a uma fonte de tensão contínua –
CC (DC)
RDC = VD / ID
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4-NÍVEIS DE RESISTÊNCIA –DIODO REAL RESISTÊNCIA AC OU DINÂMICA (rd)
O diodo é submetido a composição de dois sinais de tensão: CC e CA.
A fonte CC determina um ponto específico de operação (Q), nele
aplica-se um sinal senoidal normalmente de pequena intensidade.
vd(t) = A sen (wt)
Id
Vdrd
Derivando a equação:
)1(
.
KT
Vdk
eIsId
chega-se a:
d
dI
mVr
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4-NÍVEIS DE RESISTÊNCIA –DIODO REAL RESISTÊNCIA AC média(rav)
Quando o sinal senoidal é de grande amplitude, ou seja o diodo está
submetido a uma CA de grande amplitude, cujos limites de operação
estão claramente definidos.
.. ptaptd
avI
Vdr
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4-QUADRO RESUMO
Tipo Equação CaracterísticasDeterminação
Gráfica
Modelo linear do diodo
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Exemplo 3.5 do Sedra
Determine os valores da corrente ID e da tensão VD para o circuito.
Dados: VDD=5V, R=1kΩ, VD0=0,65V e rD=20Ω
1) Identificar e relacionar os dados
conforme a nomenclatura que
conhecemos:VD tensão nos terminais do diodo
VD0 tensão da camada de depleção diodo Vj
rD resistência estática do diodo
2) Cálculo de ID e VD:
𝐼𝐷 =𝑉𝐷𝐷 − 𝑉𝐷0𝑅 + 𝑟𝐷
𝐼𝐷 =5 − 0,65
1𝑘 + 0,02𝑘
𝑉𝐷 = (𝐼𝐷 . 𝑟𝐷) + VD0
LKT: -VD + VRD +VD0 =0
𝐼𝐷 = 4,26𝑚𝐴
𝑉𝐷 = 4,26𝑚. 0,02𝑘 + 0,65
𝑉𝐷 = 0,735𝑉
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5-DIODOS EM SÉRIE E EM PARALELO
Para a análise e solução de circuitos contendo diodos deve-se:
1. Usar um dos modelos de representação do diodo: ideal,
simplificado ou linear;
2. Usar como padrão o valor da tensão de junção, sendo:
Si= 0,7V e Ge = 0,3V;
3. Verificar o tipo de polarização do diodo: direta ou reversa e com
isso substituir o diodo pela chave eletrônica correspondente;
4. Empregar as técnicas de solução de circuitos para o cálculo das
grandezas desejadas.
Exemplo 1: Como o diodo está polarizado? Adotar modelo ideal.
a) b)
Diretamente: chave
eletrônica fechada
c)
Reversamente: chave
eletrônica aberta Diretamente: chave
eletrônica fechada
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5-DIODOS EM SÉRIE
Exemplo 2 (ex. 2.6 Boylestad): Calcular VD, VR e ID. Adotar modelo simplificado.
E
8V
2k2R
0,7V
VD
LKT: +E-VD - VR=0
Diodo modelo simplificado
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5-DIODOS EM SÉRIE
Exemplo 3 (ex. 2.9 Boylestad): Calcular V0 e ID. Adotar modelo simplificado.
LKT: +E-VT1-VT2 - VR=0
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5-DIODOS EM PARALELO
Exemplo 4 (ex. 2.12 Boylestad): Calcular V0, I1, ID1 e ID2.
Adotar modelo simplificado.Vo em // com D1 e D2, portanto:
Para determinar a corrente em
cada diodo, considera-se que os
dois diodos são idênticos:
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5-DIODOS EM PARALELO
Exemplo 5 (ex. 2.14 Boylestad): Calcular V0. Adotar modelo simplificado.
Os diodos são de materiais diferentes. Como a tensão de junção do diodo de Ge é
menor que a de Si, isso implica em que ela é primeiramente alcançada, resultando
na condução do diodo de Ge.
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6-EXERCÍOS PROPOSTOS
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6-EXERCÍCIO PROPOSTO AVULSO 1
Id=?
1k
4V
2mA
1) Determinar a corrente Id. Admitir modelo simplificado.
a) Determinar se o diodo conduz?
Para isso utiliza-se o Teorema de
Thèvenin:
1)Retira-se o elemento de estudo;
2)Calcula-se a tensão de Th Vth;
3)Calcula-se a resistência de Th Rth.
a1)
1k
4V
2mA
A
B
Vth = VAB
A fonte de corrente IMPÕE no
circuito a circulação de uma
corrente de 2mA que percorre
R1k.
A tensão VAB é calculada:
a2)
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6-EXERCÍCIO PROPOSTO AV1 (cont)
a2)
1k
4V
2mA
A
B
Vth = VAB
A fonte de corrente IMPÕE no
circuito a circulação de uma
corrente de 2mA que percorre
R1k. A tensão VAB= Vth é
calculada:
-
+𝑉𝑡ℎ + 𝑉1𝑘 − 4 = 0
𝑉𝑡ℎ = 4 − 𝑉1𝑘
𝑉𝑡ℎ = 4 − (2𝑚. 1𝑘)
𝑉𝑡ℎ = 2𝑉
a3)Rth
1k
4V
2mA
FC circuito aberto
FT curto circuito
+Vt
h
𝑅𝑡ℎ = 1𝑘Ω
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6-EXERCÍCIOS PROPOSTOS (cont)
b) Redesenhando o circuito:
Id=?
1k
4V
2mA Id=?
1k
2V
c1)Modelo ideal:
Id = 2/1k = 2mA
c2)Modelo simplificado Si:
Id = 2-0,7/1k = 1,3mA
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6-EXERCÍCIO PROPOSTO AVULSO 2
2) Determinar V1 e V2:
2.1) Verificar o estado do diodo.
Aplicando o Teorema de Thèvenin:
a) Vth
8k
V1 V2
10mA2k 1k
8k
Vth
10mA2k 1k
V1
Vth
10mA
1kRth
Vth
10mA
1kRth
V2
Re= 8k//2k = 8k.2k/10k
Re 1,6k ohms
Vth
10mA
1kRe
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6-EXERCÍCIO PROPOSTO AV 2 (CONT)
Vth
10mA
1kRe=1,6k
c) Rth
Vth= 10m. 1,6k
Vth= 16V
b)
Vth+
-
Potencial de
Vth??
Vth
10mA
1kRe=1,6k
Rth= 1,6k+ 1k
Rth= 2,6kohms