Lista de Exercícios: Diodo Semicondutor

Universidade Positivo Escola Politécnica Engenharia Elétrica e Engenharia da Computação Disciplina de Eletrônica Analógica I Prof Solivan Valente 1ª Lista de Exercícios Diodo semicondutor 1 P7 Explique a diferença entre os materiais semicondutores do tipo n e do tipo p 2 P15 Um determinado diodo está à temperatura de 20oC a Determine a tensão térmica 𝑉𝑇 do diodo b Determine a corrente do diodo usando a equação de Shockley se 𝐼𝑠 40 𝑛𝐴 𝑛 2 valor baixo de 𝑉𝐷 e a tensão de polarização aplicada é de 05 𝑉 3 P19 Dada uma corrente de diodo de 6 𝑚𝐴 𝑉𝑇 26 𝑚𝑉 𝑛 1 e 𝐼𝑠 1 𝑛𝐴 determine a tensão aplicada 𝑉𝐷 4 P21 Na região de polarização reversa a corrente de saturação de um diodo de silício é de cerca de 01 𝜇𝐴 para 𝑇 20𝑜𝐶 Determine seu valor aproximado se a temperatura for aumentada em 40𝑜𝐶 5 P23 Determine a queda de tensão direta através do diodo cujas características aparecem na Figura 1 nas temperaturas de 75𝑜𝐶 25𝑜𝐶 e 125𝑜𝐶 a uma corrente de 10 𝑚𝐴 Para cada temperatura determine o valor da corrente de saturação Compare os extremos de cada uma e comente a razão entre as duas Figura 1 Variações da curva de um diodo de Si com a temperatura Os exercícios estão identificados com os problemas propostos ao final do Capítulo 1 do livro Dispositivos Eletrônicos e Teoria de Circuitos 11ª edição de Boylestad e Nashelsky 6 P25 Explique com suas palavras as características do diodo ideal e como elas determinam os estados ligado ON e desligado OFF do dispositivo ou seja por quais motivos os equivalentes de curtocircuito e de circuito aberto são adequados 7 P26 Qual é a principal diferença entre as características de uma chave simples e as de um diodo ideal 8 P30 Calcule as resistências CC e CA do diodo representado na Figura 2 para uma corrente direta de 10 𝑚𝐴 e compare suas magnitudes Figura 2 Curva característica do diodo semicondutor de Si 9 P34 Determine a resistência CA média para o diodo da Figura 2 para a região entre 05 𝑉 e 08 𝑉 10 P36 Determine a circuito equivalente linear por partes para o diodo de silício da Figura 2 Use um segmento de reta que cruze com o eixo horizontal em 07 𝑉 e que melhor aproxime a curva para a região acima de 07 𝑉 11 P38 Encontre os circuitos equivalentes lineares por partes para os diodos de germânio e de arseneto de gálio da Figura 3 Figura 3 Curvas comparativas de diodos comerciais de Ge Si e GaAs 12 P45 Esboce a forma de onda para a corrente 𝑖 do circuito da Figura 4 se 𝑡𝑡 2𝑡𝑠 e sendo o tempo de recuperação reversa total de 9 𝑛𝑠 Figura 4 Diodo em reversão de tensão 13 P48 A corrente de saturação reversa do diodo da Figura 5 varia significativamente em amplitude para potenciais de polarização reversa na faixa de 25 𝑉 a 100 𝑉 Explique 14 P51 Usando as características apresentadas na Figura 5 determine os valores de dissipação de potência máxima para o diodo à temperatura ambiente 25𝑜𝐶 e a 100𝑜𝐶 Assumindo que 𝑉𝐹 permaneça fixo em 07 𝑉 como o valor máximo de 𝐼𝐹 varia entre os dois níveis de temperatura Figura 5 Curvas características de um diodo RESOLUÇÃO 1 P7 Um material semicondutor do tipo n tem um excesso de elétrons para a condução estabelecido pela dopagem do material intrínseco com átomos doadores que têm mais elétrons de valência do que o necessário para estabelecer a ligação covalente O portador majoritário é o elétron e o portador minoritário é a lacuna Um material semicondutor do tipo p é formado pela dopagem de um material intrínseco com átomos aceitadores que têm um número insuficiente de elétrons na camada de valência para completar a ligação covalente criando assim uma lacuna na estrutura covalente O portador majoritário é a lacuna e o portador minoritário é o elétron 2 P15 a 𝑉𝑇 𝑘 𝑇𝐾 𝑞 1381023 20𝑜𝐶 273𝑜𝐶 161019 𝑉𝑇 2527 𝑚𝑉 b 𝐼𝐷 𝐼𝑆𝑒𝑉𝐷 𝑛𝑉𝑇 1 40109 𝑒 05 2002527 1 𝐼𝐷 079 𝑚𝐴 3 P19 Equação de Shockley 𝐼𝐷 𝐼𝑆𝑒𝑉𝐷 𝑛𝑉𝑇 1 Isolando a tensão de polarização direta 𝑉𝐷 temos 𝑉𝐷 𝑛 𝑉𝑇 ln 𝐼𝐷 𝐼𝑠 1 Substituindo os valores dados obtemos 𝑉𝐷 10026 ln 6103 1109 1 𝑉𝐷 041 𝑉 4 P21 Dobrando a corrente reversa a cada aumento de 10𝑜𝐶 na temperatura obtemos 𝑇 20𝑜𝐶 𝐼𝑠 01 𝜇𝐴 𝑇 30𝑜𝐶 𝐼𝑠 02 𝜇𝐴 𝑇 40𝑜𝐶 𝐼𝑠 04 𝜇𝐴 𝑇 50𝑜𝐶 𝐼𝑠 08 𝜇𝐴 𝑇 60𝑜𝐶 𝐼𝑠 16 𝜇𝐴 Conclusão a corrente reversa aumentou 24 16 vezes 01 para 16 𝜇𝐴 com um aumento de temperatura de 4 10𝑜𝐶 40𝑜𝐶 5 P23 Os valores aproximados que lemos nas curvas são 75𝑜𝐶 25𝑜𝐶 125𝑜𝐶 𝑉𝐹 𝑎 10𝑚𝐴 11 𝑉 085 𝑉 06 𝑉 𝐼𝑠 001 𝑝𝐴 1 𝑝𝐴 2 𝜇𝐴 Com o aumento da temperatura nesse intervalo A tensão direta diminui 11 06 18 vezes A corrente reversa total aumenta 2106 0011012 200 milhões de vezes 6 P25 Na região de polarização direta a queda de 0 𝑉 através do diodo em qualquer nível de corrente resulta em um nível de resistência nula 𝑅 0 Ω curtocircuito no estado ligado ON a condução é estabelecida Na região de polarização reversa o nível de corrente nula 0 𝐴 em qualquer tensão de polarização reversa garante um nível de resistência muito alto 𝑅 circuito aberto no estado desligado OFF a condução é interrompida 7 P26 A diferença mais importante entre as características de um diodo e uma chave simples é que a chave sendo mecânica é capaz de conduzir corrente em qualquer direção enquanto o diodo permite que a carga flua através do elemento em apenas uma direção na direção definida pela seta do símbolo usando fluxo de corrente convencional 8 P30 Resistência CC estática 𝑅𝐷 𝑉𝐷 𝐼𝐷 081 0010 𝑅𝐷 81 Ω Resistência CA dinâmica 𝑟𝑑 𝑉𝑑 𝐼𝑑 𝑛26 𝑚𝑉 𝐼𝐷 10026 0010 𝑟𝑑 26 Ω Comparativamente 𝑅𝐷 𝑟𝑑 neste ponto de operação 9 P34 A resistência CA média é obtida observandose 2 pontos na curva de operação do diodo Ponto inferior 𝑉𝐷 05 𝑉 𝐼𝐷 08 𝑚𝐴 Ponto superior 𝑉𝐷 08 𝑉 𝐼𝐷 9 𝑚𝐴 Assim 𝑟𝑎𝑣 𝑉𝑑 𝐼𝑑 𝑝𝑡 𝑎 𝑝𝑡 0805 0009000008 03 00082 𝑟𝑎𝑣 366 Ω 10 P36 Traçamos os segmentos de reta indicados em vermelho e temos A resistência CA média 𝑟𝑎𝑣 é obtida por dois pontos extremos na curva do diodo O ponto inferior é dado corrente nula na tensão de joelho 𝑉𝐾 enquanto o ponto superior é determinado por um ponto na curva do diodo com corrente bastante alta Ambos os pontos determinam uma reta de aproximação vermelha que tem sua inclinação determinada por essa resistência Ponto inferior 𝑉𝐷 07 𝑉 𝐼𝐷 0 𝑚𝐴 Ponto superior 𝑉𝐷 087 𝑉 𝐼𝐷 20 𝑚𝐴 Assim 𝑟𝑎𝑣 𝑉𝑑 𝐼𝑑 𝑝𝑡 𝑎 𝑝𝑡 087070 00200 017 0020 𝑟𝑎𝑣 85 Ω O modelo linear por partes para esse diodo de silício é 11 P38 Traçamos os segmentos de reta indicados em vermelho e temos A resistência CA média 𝑟𝑎𝑣 é obtida por dois pontos extremos na curva do diodo O ponto inferior é dado corrente nula na tensão de joelho 𝑉𝐾 enquanto o ponto superior é determinado por um ponto na curva do diodo com corrente bastante alta Ambos os pontos determinam uma reta de aproximação vermelha que tem sua inclinação determinada por essa resistência a Diodo de germânio Ge Ponto inferior 𝑉𝐷 03 𝑉 𝐼𝐷 0 𝑚𝐴 Ponto superior 𝑉𝐷 042 𝑉 𝐼𝐷 30 𝑚𝐴 Assim 𝑟𝑎𝑣 𝐺𝑒 𝑉𝑑 𝐼𝑑 𝑝𝑡 𝑎 𝑝𝑡 042030 00300 012 0030 𝑟𝑎𝑣 𝐺𝑒 4 Ω O modelo linear por partes para esse diodo de germânio é b Diodo de arseneto de gálio GaAs Ponto inferior 𝑉𝐷 12 𝑉 𝐼𝐷 0 𝑚𝐴 Ponto superior 𝑉𝐷 132 𝑉 𝐼𝐷 30 𝑚𝐴 Assim 𝑟𝑎𝑣 𝐺𝑎𝐴𝑠 𝑉𝑑 𝐼𝑑 𝑝𝑡 𝑎 𝑝𝑡 132120 00300 012 0030 𝑟𝑎𝑣 𝐺𝑎𝐴𝑠 4 Ω O modelo linear por partes para esse diodo de arseneto de gálio é 12 P45 Considerando o diodo como ideal no circuito sua tensão é nula quando polarizado de modo direto que é a condição para 𝑣𝑖 10 𝑉 Assim a corrente no circuito que é a corrente direta no diodo é 𝑖 𝐼𝐷 10 𝑉 10 𝑘Ω 10 10000 0001 1 𝑚𝐴 O tempo de recuperação reversa é 𝑡𝑟𝑟 𝑡𝑠 𝑡𝑡 9 𝑛𝑠 Como 𝑡𝑡 2𝑡𝑠 temos 𝑡𝑠 𝑡𝑡 𝑡𝑠 2𝑡𝑠 3𝑡𝑠 9 𝑛𝑠 𝑡𝑠 3 𝑛𝑠 𝑡𝑡 6 𝑛𝑠 A corrente reversa inicial logo após a inversão da polaridade de 10 𝑉 para 5 𝑉 é determinada pelo circuito externo ao diodo ou seja pela resistência de 10 𝑘Ω 𝑖 𝐼𝑟𝑒𝑣 5 𝑉 10 𝑘Ω 5 10000 00005 05 𝑚𝐴 Assim a curva da corrente é 13 P48 Observe a Figura 5c Quando 𝑉𝐷 25 𝑉 temos 𝐼𝐷 02 𝑛𝐴 e quando 𝑉𝐷 100 𝑉 temos 𝐼𝐷 04 𝑛𝐴 Embora a elevação seja de 100 a corrente reversa resultante em ambos os casos é relativamente baixa para a maioria das aplicações 14 P51 A Figura 5a nos mostra as potências máximas que podem ser dissipadas com o diodo com a variação da temperatura ambiente Para 𝑇 25𝑜𝐶 𝑃𝑚á𝑥 500 𝑚𝑊 050 𝑊 Para 𝑇 100𝑜𝐶 𝑃𝑚á𝑥 250 𝑚𝑊 025 𝑊 Lembrando que a potência dissipada por um diodo em qualquer situação é 𝑃𝐷 𝑉𝐷 𝐼𝐷 a corrente instantânea é dada por 𝐼𝐷 𝑃𝐷 𝑉𝐷 Como estamos interessados nas correntes máximas e supomos a tensão fixa em 07 𝑉 temos Para 𝑇 25𝑜𝐶 𝐼𝐷𝑚á𝑥 𝑃𝑚á𝑥 𝑉𝐷 050 070 𝐼𝐷𝑚á𝑥 7143 𝑚𝐴 Para 𝑇 100𝑜𝐶 𝐼𝐷𝑚á𝑥 𝑃𝑚á𝑥 𝑉𝐷 025 070 𝐼𝐷𝑚á𝑥 3571 𝑚𝐴