Esboce o gráfico I-V de um diodo de silício com uma tensão de compensação de 0.7 V e uma PIV de 50 V . Explique cada uma das principais partes do gráfico.
Passo 1
O enunciado pede duas coisas claras:
- Esboçar (desenhar) o gráfico corrente versus tensão (I–V) de um diodo de silício.
- Explicar cada uma das principais partes do gráfico.
Informações dadas:
- Tensão de “compensação” (tensão de condução típica) do silício:
. - PIV (máxima tensão inversa sem entrar em avalanche):
.
O que vou fornecer: instruções passo a passo para desenhar o esboço, a curva matemática básica que descreve o comportamento, exemplos numéricos simples para posicionar pontos no esboço e explicações didáticas das regiões do gráfico.
Passo 2
Desenhar os eixos e decidir escalas (como começar o rascunho).
- Eixos: eixo horizontal é a tensão do diodo
(em volts), eixo vertical é a corrente (em ampères). No esboço o eixo horizontal deve mostrar valores negativos (para a região reversa) até um pouco além do PIV, por exemplo de até . O eixo vertical pode ser desenhado com escala que mostre microampères/miliampères até ampares (use escala logarítmica mentalmente se quiser). - Marcar no eixo horizontal o ponto
, marcar para a “queda” de silício, e marcar para o PIV.
Dica prática de desenho: no papel, desenhe o eixo
horizontal com negativo à esquerda. Para
, positivo para cima (corrente direta) e negativo para baixo (corrente reversa). Será útil quebrar a região positiva perto de zero (onde a corrente muda muito rápido) e desenhar a região reversa quase plana até
onde cai verticalmente.
Passo 3
A equação que descreve a característica (visão física): a equação de Shockley (modelo idealizado) é
Explicando cada termo (devagar, como aula):
-
é a corrente que atravessa o diodo (positiva no sentido direto). -
é a corrente de saturação reversa (corrente muito pequena quando o diodo está reverso polarizado), típica para um silício comum: entre e dependendo do diodo. -
é o fator de idealidade (normalmente entre e , para exercícios use ). -
é a tensão térmica, , que a vale aproximadamente (ou seja ).
Interpretação prática: para
positivo pequeno, o exponencial é pequeno → corrente quase zero; quando
atinge valores por volta de algumas dezenas de vezes
(isto é, por volta de
–
), a corrente cresce exponencialmente e fica grande — daí a “queda” prática de
.
Passo 4
Exemplos numéricos rápidos para entender a escala (pegue
,
e
):
- Para
: . Então e . - Para
: . Então e com os parâmetros escolhidos (isso ilustra que a corrente explode exponencialmente; na prática há limitações físicas e resistência em série que evitam correntes tão grandes). - Para
: a corrente é quase + termo muito pequeno, praticamente zero.
Conclusão desse passo: no esboço, para
de
até
a corrente é quase zero; entre
e
aparece a “joelhada” e a corrente sobe muito; acima disso o crescimento ideal é exponencial, mas efeitos práticos limitam-no.
Passo 5
Efeito da resistência série e comportamento em alta corrente (parte prática importante para o esboço).
- Realmente existe uma resistência série
associada ao material e aos contatos. Para correntes altas, a tensão medida no terminal é
onde
é a queda na junção (a parte que segue aproximadamente a equação de Shockley). Isso faz com que, no gráfico, a curva exponencial “abra” para uma inclinação aproximadamente linear nas correntes maiores — ou seja, o gráfico passa a parecer uma reta inclinada (tensão aumentando com corrente) por causa do
. Ao esboçar, depois da região de subida rápida, desenhe uma inclinação quase linear (não vertical) para representar limitação por
.
Passo 6
Região reversa (tensão negativa) e o PIV.
- Para tensões reversas moderadas (
até aproximadamente no nosso caso), o termo exponencial em Shockley é desprezível e a corrente vale aproximadamente (corrente pequena e quase constante para todas as tensões reversas). No gráfico isso aparece como uma linha quase horizontal levemente abaixo do eixo (valores como nanoamperes ou microamperes negativos). - O PIV (Peak Inverse Voltage) de
significa que até aproximadamente o diodo não deve entrar em ruptura. Em torno de ocorre a ruptura (avalanche ou zener dependendo do tipo) — no gráfico isso aparece como uma descida brusca: a partir de a corrente reversa aumenta fortemente em magnitude (corrente negativa grande). Marque no eixo e desenhe a curva caindo verticalmente para correntes negativas grandes se a tensão for mais negativa que esse ponto. - Observação prática: se não houver limitação de corrente externa, a avalanche destrói o diodo; por isso PIV é uma especificação de segurança.
Passo 7
Etiqueta e anotações no esboço (o que rotular para ficar claro na prova).
No desenho, coloque claramente:
No desenho, coloque claramente:
- Origem
. - Região direta “off”:
com . - “Joelho”/tensão de condução: marque
e chame de tensão direta típica do silício. - Região direta “on”: curva subindo fortemente para a direita imediatamente após o joelho; depois dessa subida, indicar uma parte com inclinação devido a
. - Região reversa: corrente pequena e negativa aproximadamente constante
para . - Ponto de ruptura:
marcado e, à esquerda dele, uma queda brusca que indica aumento grande da corrente reversa (avalanche).
Passo 8
Como explicar cada parte (linguagem para usar na prova — curta, didática e segura)
- “Região direta antes do joelho”: aqui a junção está polarizada diretamente mas a corrente é muito pequena até que a barreira de potencial seja suficientemente reduzida; matematicamente o termo exponencial ainda é pequeno. Em prática: o diodo “não conduz” até
– . - “Joelho / tensão de condução
”: ponto em que a corrente aumenta exponencialmente; para cálculos rápidos costuma-se modelar o diodo como uma fonte de tensão fixa em série com uma resistência pequena. - “Região direta em corrente alta”: corrente cresce muito; resistência série
limita a queda de tensão adicional, por isso o gráfico toma uma inclinação quase linear. - “Região reversa”: o diodo bloqueia e só circula uma pequena corrente de fuga
. - “Ruptura em
”: quando a tensão reversa excede a PIV, entra-se na região de avalanche/ruptura e a corrente aumenta abruptamente; se não houver limitação, o diodo pode ser danificado.
Passo 9
Passo a passo prático para esboçar no papel (resumo rápido para fazer na prova em 1–2 minutos)
- Desenhe eixos: horizontal
de a , vertical com zero no centro. - Para
: trace uma linha quase horizontal ligeiramente abaixo de zero corrente até ; em desenhe uma queda quase vertical para correntes negativas grandes. - Para
: mantenha praticamente zero (linha próxima ao eixo). - Em
: desenhe o “joelho” e uma curva que sobe rapidamente para correntes positivas. - Para correntes maiores continue a curva com inclinação mais linear para cima (efeito de
). - Marque e rotule
e e escreva ao lado “corrente reversa ”.
Resposta
Esboço do gráfico I–V: curva quase horizontal para
na região reversa até
, onde ocorre ruptura (corrente reversa cresce fortemente); para
corrente praticamente nula; em torno de
o “joelho” e então subida exponencial da corrente na região direta, passando a uma inclinação aproximadamente linear em correntes altas devido à resistência série
.\n\nExplicações das partes:\n- Região reversa (até
): bloqueio com corrente de fuga
.\n- Ponto de ruptura
: PIV; além disso ocorre avalanche e a corrente reversa aumenta muito.\n- Região direta fraca (
): quase sem condução.\n- Joelho em
: início da condução significativa do silício.\n- Região direta alta (
): corrente cresce exponencialmente (Shockley) e, em correntes elevadas, é limitada por
(tornando a curva mais inclinada/linear).