Introdução à Eletrônica - elt 6 diodos especiais, Notas de estudo de Física
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Introdução à Eletrônica - elt 6 diodos especiais, Notas de estudo de Física

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Introdução aos estudos de eletrônica com aplicações práticas e teóricas.
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E-mail: eliesio Oetrr.com.br É ESCOLA TÉCNICA + REZENDE-RAMMEL CURSO TÉCNICO DE MECATRÔNICA ELETRÔNICA APLICADA I NOME TURMA ANO DIODOS ESPECIAIS DIODO EMISSOR DE LUZ (LED) O diodo, quando polarizado diretamente, uma grande quantidade de portadores atravessam a junção. Neste processo alguns se recombinam com átomos ionizados, perdendo energia. Nos diodos de silício e de germânio esta transferência de energia se dá principalmente na forma de calor. Nos diodos emissores de luz (LED) a junção é formada por arseneto de gálio (GaAs) que libera energia na forma de luz. SIMBOLOGIA A k Anodo Catodo LED DE LUZ VISÍVEL — são normalmente feitos a partir do arseneto de gálio acrescidos de fósforo que, dependendo da quantidade, podem irradiar luzes vermelha, laranja, amarela, verde, azul. E são usados normalmente como sinalizadores luminosos. LED INFRAVERMELHO > Podem ser construídos com antimoneto de índio (InSb) e podem ser utilizados em alarmes, transmissão de dados por fibra óptica, sistemas de controle, e outros sistemas que exijam radiação invisível. LED LASER >Feitos a partir de arseneto de gálio (GaAs) acrescido de alumínio (Al) e são utilizador em equipamentos leitura ou emissores laser. LED ULTRAVIOLETA São construídos à base de sulfato de zinco (ZnS) e utilizados em diversos sistemas, principalmente de grande precisão. CARACTERÍSTICAS DO LED ELIÉSIO 1 E-mail: eliesio Oetrr.com.br Os LEDs apresentam as características dos diodos de junção. Conduzem quando polarizados diretamente e com tensão maior que a tensão necessária para vencer a barreira de potencial (Vd). Comercialmente podemos encontrar LEDs para correntes na faixa de 10 mA a 50 mA e tensões na faixade 1,5 Va2,5V. CIRCUITO COM LED Ipen 10mA a 50mA Rs Vip? 1,5V a 2,5V — V-VLED Valores típicos o ILen=20 mA ILED LED' Vie Vigp=2,0 V FOTODIODO Um diodo de junção, polarizado inversamente, possui uma corrente de fuga formada por portadores minoritários criados pela vibração térmica. Se houver incidência de luz sobre a junção PN, através de uma janela, esta energia pode gerar portadores aumentando a corrente reversa. FOTODIODO é diodo com uma janela sobre a junção que permite a entrada de luz. Desta forma quanto maior a incidência de luz, maior a corrente no fotodiodo polarizado inversamente. D SIMBOLOGIA FA CARACTERÍSTICAS DO FOTODIODO Um valor típico da corrente “escura” nos fotodiodos de germânio é de 6 LA, e para corrente “luz” com iluminação de 1600 lux um valor típico é de 150 u A. Nos dispositivos de silício, valores típicos da corrente “escura” permanecem entre 0.01 yu A e 0.1LA e da corrente “luz” com iluminação de 2000 lux entre 250LA e 300 UA. CURVA CARACTERÍSTICA CORRENTE x ILUMINAÇÃO corrente de luz (escala log) Quanto maior a incidência de luz, maior a corrente no fotodiodo polarizado reversamente. Quando o fotodiodo está trabalhando na região linear de sua curva característica, a corrente reversa tem a mesma forma de onda da amplitude luminosa incidente. iluminação (escala log.) ELIÉSIO E-mail: eliesio O etrr.com.br CURVA CARACTERÍSTICA CORRENTE x COMPRIMENTO DE ONDA DA LUZ IR Esta característica define a corrente 100 reversa (IR) do fotodiodo provocada pelo comprimento de onda(A) da luz 75 incidente. 50 25 10 Ne 04 06 0.8 10 11 Mum) DIODO VARICAP: O diodo varicap ou varactor é um diodo de capacitância variável que usa a capacitância produzida por uma função PN polarizada inversamente A polarização reversa produz uma região na junção virtualmente isenta de portadores de carga, a camada ou região de depleção, que forma uma camada isolante entre as duas regiões de condução P e N. Um capacitor de placas paralelas é, portanto formado e como a largura da camada de depleção depende da polarização reversa, é obtida uma capacitância variável. varicap SIMBOLOGIA >» - CURVA CARACTERÍSTICAS Ci Pp N Rr ++++| |-—-—— D] ++++| |-——— > — —.. | FETA f h He Cj v CAMADA DE DEPLEÇÃO (capacitância da junção) UTILIZAÇÃO SINTONIA NOS CIRCUITOS RESSONANTE MUITO UTILIZADO EM EQUIPAMENTOS DE TELECOMUNICAÇÕES: Valores típicos de capacitância para esse tipo de diodo são 230 pF a 13 pF com uma faixa de tensões de IV a 30 Fe 20 pF a 2 pF com uma faixa de tensões de 6,5V a 25V. Os diodos destinados como elementos de sintonia são fabricados de silício. ELIÉSIO 3 E-mail: eliesio O etrr.com.br SINTONIA NA FREQUÊNCIA DE MICROONDAS: O valor de capacitância é pequeno, somente alguns picofarades, para dar uma alta frequência de corte em operação eficiente. A faixa de capacitância 5 pF a 1pF com uma variação de tensão de 1 V a 12 V. São normalmente fabricados de arseneto de gálio. MULTIPLICAÇÃO DE FREQUÊNCIAS: A variação da capacitância com a tensão aplicada, é não-linear, e assim a aplicação de uma forma de onda produz no diodo uma descontinuidade criando harmônicos. Ao realizar a sintonia nos harmônicos temos as multiplicações de frequência. CONVERSOR DE FREQUÊNCIA A característica não-linear pode ser usada como misturador para fornecer conversão de frequência. Onde dois sinais de entrada são aplicados, e é extraída a frequência soma (conversor ascendente-“ UP- converter”) ou diferença (conversor descendente- “Down-converter”). A faixa de capacitância requerida nos diodos varicap para multiplicação de frequência é geralmente menor do que a requerida para sintonia. Em particular, nas frequências de microondas a capacitância deve ser baixa para dar alta fregiência. E são fabricados com encapsula mentos adequado à inclusão nos guias de ondas. DIODO DE RECUPERAÇÃO ESCALONADA É uma variante do diodo varicap que recebe um nível de dopagem adequado para a junção PN de modo que o diodo possa ser comutado (ou chaveado) desde um estado de alta capacitância com polarização direta até um estado de baixa capacitância com polarização inversa. O diodo forma o elemento capacitivo de um circuito LC sintonizado. Este tipo de diodo pode produzir multiplicação de fregiência até 20 vezes. TABELAS DE DIODOS VARICAP DIODO DE CAPACITÂNCIA VARIÁVEL PARA SINTONIA (OPERAÇÃO EM UHF) TIPO Vrmax (V) [Cj aVr (PE) (V) ÍCja Vr«pp) (V) BAI63 14 10 10 260 0 BAI82 35 LO 20 BBIO5SB 28 23 25 BBII3 32 13 30 280 LO B122 30 28 25 13 3.0 BBY22 100 47 40 DC4227€ 68 4.0 DC4244 350 40 ITT2O 20 5.0 10 20 LO ZC700 30 6.8 4.0 ZC800 25 18 20 10 2.0 ELIÉSIO 4 E-mail: eliesio Oetrr.com.br DIODO DE CAPACITÂNCIA VARIÁVEL PARA SINTONIA (OPERAÇÃO EM MICROONDAS) TIPO Vrmax(V) [Cj a Vr (PE)JC Vr«C) (V) (V) BXY53 60 LO 40 BXvY54 160 41 40 BXY55, 60 15 40 DC40IB |30 22 0 DC4275B |30 47 0 MA45064 |25 05 40 MA45109 [45 15 40 MA45149 [90 15 40 ZC751 30 39 40 DIODOS VARICAP MULTIPLICADORES TIPO Vrmax [Cja Vr(pP) (V) (V) BAY96 120 39 6.0 BXY56 60) 25 60 BXY57 60) 20 60 DC7309A [120 35 6.0 MA44100 [150 30 6.0 MA44150 [15 0.6 60 MA44210 [100 16 6.0 ZC29 6, 0.55 0 ZC41 20 0.5 20 ZCO12 35 3.0 0 UN5152 75 15 60 DIODO TÚNEL O diodo túnel usa uma junção PN com ambas as regiões P e N muito fortemente dopadas. O desempenho de tal junção é diferente do da junção geralmente usada em diodos. A camada de depleção é extremamente fina por causa do número muito grande de portadores de carga. Em consegiiência, a corrente direta começa a fluir numa tensão mais baixa do que num diodo normal, muitas vezes em polarização zero, ou seja, a polarização direta produz condução imediata. A corrente aumenta com o aumento da polarização direta até atingir um valor máximo Ip (corrente de pico) quando a tensão no diodo iguala-se a tensão Vp (tensão de pico). A seguir a corrente diminui até um valor mínimo Iv (corrente de vale) a uma tensão Vv (tensão de vale). A partir deste ponto a característica do diodo túnel torna-se como a de um diodo de junção. A região entre os pontos do pico e do vale é chamada região de resistência negativa, porque nesta região um aumento de tensão produz uma diminuição na corrente. A resistência negativa é útil em circuitos osciladores que são capazes de converter potência CC em potência CA. Fregiiências de até 100 GHz têm sido obtidas, porém, a potência de saída é baixa, sendo os valores típicos de 10 mW a 5 GHz e 0,2 mW a 50 GHz. O diodo túnel apesar de apresentar baixa potência, tem se mostrado vantajoso, no entanto, como amplificador de resistência negativa por causa de seu desempenho de baixo ruído. ELIÉSIO 5 E-mail: eliesio Oetrr.com.br CURVA CARACTERÍSTICA i I Ip N I Vp Vv v SIMBOLOGIA ânodo = cátodo DIODO INVERSO É uma forma de diodo túnel muito usado em fregiiência de microondas. Apresenta um nível de dopagem muito alto, e com isto o diodo rompe numa tensão inversa muito baixa. Ele é, com efeito, um diodo zener com ruptura próxima de zero volt (OV). A resistência reversa é, portanto muito baixa. Mais baixa que a resistência direta. Os diodos inversos são usados como detetores muito sensíveis, nas fregiiências de microondas de até 40 GHz. TABELA: TIPO FREQUÊNCIA(GHz) AEY29 12 a 18 AEY31 1 a 18 AEY32 18 A 40 DC3010 9.3 DC3011 16 DC3021 9.3 1 SIMBOLOGIA CURVA CARACTERÍSTICA I A K ) D+ 01 ânodo cátodo ELIÉSIO E-mail: eliesio O etrr.com.br DIODO SCHOTTKY: Em baixas frequências um diodo comum pode se desligar facilmente quando a polarização varia de direta para reversa. Mas à medida que a fregiência aumenta, o diodo chega num ponto onde não pode se desligar suficientemente rápido para evitar uma corrente considerável durante parte do tempo reverso. O diodo de barreira Schottky usa uma junção de metal semicondutor como elemento de retificação. De fato, o diodo Schottky faz uso construtivo do que pode ser uma desvantagem em muitos dispositivos de estado sólido. A “resistência de contato” entre a fração de pastilha do semicondutor e os fios condutores metálicos. O material semicondutor usado é silício fortemente dopado ou arseneto de gálio, sobre o qual uma fina camada de material N de alta resistividade é crescida. Isto dá ao diodo uma baixa capacitância e uma alta tensão de ruptura. O fluxo de corrente num diodo Schottky é inteiramente devido aos portadores majoritários, No sentido direto, elétron do material semicondutor são injetados no metal. Estes elétrons rapidamente perdem suas energias, e, portanto não podem atravessar a junção quando a polaridade é invertida. Os diodos Schottky não podem, portanto experimentar os efeitos da recuperação reversa do armazenamento de portadores majoritários. Eles podem, portanto serem usados eficientemente nas fregiiências de microondas como diodos misturadores e como diodos detetores com baixo ruído e alta sensibilidade. Uma aplicação importante dos diodos Schottky é nos computadores digitais. A velocidade dos computadores depende da rapidez com que seus diodos e transistores conseguem se ligar e desligar. É aí que entra o diodo Schottky. Pelo fato dele não ter armazenamento de carga, o diodo Schottky tornou-se a peça fundamental da TTL Schottky de baixa potência, um grupo de dispositivos digital amplamente usado. DIODOS SCHOTTKY DIODOS MISTURADORES Ti Faixa — freg. [Ruído (dB po (GHZ) req. [Ruído (dB) DIODOS DETETORES BATIO La 2 [75 Tipo rea freq. Ruio BAV72 26 a 40 [100 (GHz) (dB) BAVA6 8a 12 110 BAV96D La 12 [60 BAWOSG [1 a 12 |65 BAV7S Sa 14 J10 DCISOA 93 50 BAV97 8a 12 fio : - MA40025 | |30 DCI304A | [160 6.5 a DCISOIF | [93 70 - DCISOME | [93 75 MAASGIH | [16.0 65 MA4882 LO 5.5 SIMBOLOGIA ESTRUTURA A K ETAL ânodo ” cátodo SCHOTTKY >) ELIÉSIO 7 E-mail: eliesio O etrr.com.br DIODO PIN: No diodo PIN, uma camada de silício intrínseco separa as regiões P e N. Os portadores que saem das regiões dopadas têm que atravessar a região intrínseca antes de alcançar o lado oposto da junção. O tempo de trânsito através da região intrínseca limita a freguência de operação como um retificador a aproximadamente 100 MHz. Nas fregiiências de microondas, a estrutura PIN apareceria simplesmente como uma resistência linear. No entanto, se for aplicada uma polarização direta, os portadores são injetados na região intrínseca e a resistência cai abruptamente. A diferença entre a resistência com a polarização direta e com polarização reversa (quando não são injetados portadores) pode ser de fato de muitos milhares. Esta propriedade do diodo Pin permite que ele seja usado como um modulador ou como chave nos sistemas de microondas. O diodo Pin também é usado como um atenuador controlando a tensão. DIODOS PIN DIODOS DE COMUTAÇÃO Tipo VR (V) Cd (pF) P total Tempo de vida dos| Velocidade de portadores (ns) comutação (ns) DC2019 100 0.2 10 DC2419A 1150 30Wcw 50 MA47051 [100 0.35 250Wpk |75 5 MA47079 1500 04 8KWpk 1500 100 MA4784 1000 3.8 30KWpk [15000 650 ZC3202 200 0.32 3.0W 100 USO GERAL Tipo VR Cd P Tempo de vida dos| Velocidade de comutação (V) (pE) total | portadores (ns) (ns) DC1015 500 1.0 2000 DC2010 250 0.5 700 DC2132A |800 0.48 4000 MA47100 [100 0.35 2000 ELIÉSIO 8 E-mail: eliesio Oetrr.com.br AUTO-AVALIAÇÃO 5DIODOS ESPECIAIS NOME TURMA ANO 1) Determine o valor de Rs para ligar o LED do circuito abaixo. +5V Rs ? LED 2) Projete um circuito para alimentar um LED que servirá de indicação luminosa de lanterna do carro ligada. A bateria do carro é de 12V. 3) Explique o funcionamento de um fotodiodo. 4) Explique o funcionamento de um varicap. 5) Explique o funcionamento de um diodo túnel. 6) Explique o funcionamento de um diodo inverso. 7) Explique o funcionamento de um diodo Schottky. -8) Explique o funcionamento de um diodo PIN. ELIÉSIO 9
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