Aula 1 Tipos de Diodos, Notas de aula de Engenharia Elétrica

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ELETRÔNICA INDUSTRIALELETRÔNICA INDUSTRIAL

P/ AUTOMAÇÃO P/ AUTOMAÇÃO

Introdução ao Diodo de Introdução ao Diodo de

Potência Potência

AULA 1 AULA 1

PROF.: HALISSON ALVES PROF.: HALISSON ALVES

Revisão da Física de

Semicondutores



Os Portadores: elétrons e

lacunas



Semicondutores dopados



Recombinação



Correntes de deriva e de difusão



LacunasLacunas - - Átomos de materias com 4 elétrons em

sua camada mais externa (C, Ge, Si, etc.), permitem

o estabelecimento de ligações muito estáveis

(ligação covalente). Em qualquer temperatura acima

do zero absoluto (-273 oC), algumas destas ligações

são rompidas (ionização térmica), produzindo

elétrons livres. O átomo que perde tal elétron se

torna positivo. Eventualmente um outro elétron

também escapa de outra ligação e, atraído pela

carga positiva do átomo, preenche a ligação

covalente. Desta maneira tem-se uma

movimentação relativa da “carga positiva”, chamada

de lacuna, que, na verdade, é devida ao

deslocamento dos elétrons que saem de suas

ligações covalentes e vão ocupar outras, como

mostra a figura 1.

Os Portadores: elétrons e

lacunas

Os Portadores: elétrons e

lacunas

Figura 1 - Movimento de elétrons e lacunas em semicondutor

 Camadas Tipo P e N - Neste caso não tem-se mais o equilíbrio entre elétrons e lacunas, passando a existir um número maior de elétrons livres nos materiais dopados com elementos da quinta coluna da tabela periódica, ou de lacunas, caso a dopagem seja com elementos da terceira coluna. Respectivamente, produzem-se os chamados materiais semicondutores tipo N e tipo P.  Portadores Majoritários e Minoritários (Tipo P) - Quando a lacuna introduzida pelo boro captura um elétron livre, tem- se a movimentação da lacuna. Neste caso diz-se que as lacunas são os portadores majoritários , sendo os elétrons os portadores minoritários.  Portadores Majoritários e Minoritários (Tipo N) Já no material tipo N, a movimentação do elétron excedente deixa o átomo ionizado, o que o faz capturar outro elétron livre. Neste caso os portadores majoritários são os elétrons, enquanto os minoritários são as lacunas. Semicondutores dopados

Recombinação  Uma vez que a quantidade ni (produto das densidades de lacunas e de elétrons) é determinada apenas por propriedades do material e pela temperatura, é necessário que exista algum mecanismo que faça a recombinação do excesso de portadores à medida que novos portadores são criados pela ionização térmica. Tal mecanismo inclui tanto a recombinação propriamente dita de um elétron com uma lacuna em um átomo de Si, quanto a captura dos elétrons pela impureza ionizada.  Tempo de Vida - Pode-se definir o “tempo de vida” de um portador como o tempo médio necessário para que o elétron ou a lacuna sejam “neutralizados” pela consecução de uma ligação covalente. Em muitos casos pode-se considerar o “tempo de vida” de um portador como uma constante do material. No entanto, especialmente nos semicondutores de potência, esta não é uma boa simplificação.

 Tempo de Condução de um Semicondutor - Um dos métodos que possibilita o “ajuste” do tempo de vida é a dopagem com ouro, uma vez que este elemento funciona como um “centro” de recombinação, uma vez que realiza tal operação com grande facilidade. Outro método é o da irradiação de elétrons de alta energia, bombardeando a estrutura cristalina de modo a deformá-la e, assim, criar “centros de recombinação”. Este último método tem sido preferido devido à sua maior controlabilidade (a energia dos elétrons é facilmente controlável, permitindo estabelecer a que profundidade do cristal se quer realizar as deformações) e por ser aplicado no final do processo de construção do componente. Recombinação

Tipos de Diodos 

FuncionamentoFuncionamento



Tipos de DiodosTipos de Diodos

• (^) Diodos LentosDiodos Lentos
• (^) Diodos RápidosDiodos Rápidos
• (^) Diodos ShottkyDiodos Shottky

Aplicando-se uma tensão entre as regiões P e N, a diferença de potencial aparecerá na região de transição, uma vez que a resistência desta parte do semicondutor é muito maior que a do restante do componente (devido à concentração de portadores). Quando se polariza reversamente um diodo, ou seja, se aplica uma tensão negativa no anodo (região P) e positiva no catodo (região N), mais portadores positivos (lacunas) migram para o lado N, e vice-versa, de modo que a largura da região de transição aumenta, elevando a barreira de potencial. Por difusão ou efeito térmico, uma certa quantidade de portadores minoritários penetra na região de transição. São, então, acelerados pelo campo elétrico, indo até a outra região neutra do dispositivo. Esta corrente reversa independe da tensão reversa aplicada, variando, basicamente, com a temperatura. Na Figura 4 pode ser vista a estrutura típica do diodo e formas de onda típicas de comutação. Diodos

Funcionamento

Figura 4 - Estrutura típica de diodo e formas de onda típicas de comutação do diodo.

Diodos

Funcionamento

Durante t2 - Tem-se a chegada dos portadores e a redução da tensão para cerca de 1V. Estes tempos são, tipicamente, da ordem de centenas de ns. Diodos Funcionamento

Bloqueio (t3, t4 e t5) - A carga espacial presente na região N- deve ser removida antes que se possa reiniciar a formação da barreira de potencial na junção. Enquanto houver portadores transitando, o diodo se mantém em condução. A redução em Von se deve à diminuição da queda ôhmica. Quando a corrente atinge seu pico negativo é que foi retirado o excesso de portadores, iniciando-se, então, o bloqueio do diodo. A taxa de variação da corrente, associada às indutâncias do circuito, provoca uma sobre- tensão negativa. Diodos Funcionamento



Diodos Lentos (Retificadores, DiodosDiodos Lentos (Retificadores, Diodos

de Sinal) de Sinal)



Diodos Rápidos (Retificadores P/ AltaDiodos Rápidos (Retificadores P/ Alta

Freqüência, Snubbers, Conversores Freqüência, Snubbers, Conversores

etc.) etc.)



DiodosDiodos SchottkySchottky

Diodos

Tipos de Diodos Tipos de Diodos

Diodos

Curvas Características dos Diodos Curvas Características dos Diodos

 O diodo de Potência é um dispositivo deO diodo de Potência é um dispositivo de junção junção PNPN de dois terminais. Esta junçãode dois terminais. Esta junção é normalmente formada por é normalmente formada por fusão,fusão, difusão e crescimento epitaxial difusão e crescimento epitaxial ..  Diz-se que o diodo está diretamenteDiz-se que o diodo está diretamente polarizado quando... e reversamente polarizado quando... e reversamente quando... quando... pp nn

• v + v - - Ânodo Ânodo CátodoCátodo
• v + v - - Ânodo Ânodo CátodoCátodo