Transcript
Diodos Introdução Para iniciar este texto, vamos falar sobre um componente que, até algumas décadas atrás, era de grande importância nos circuitos eletrônicos: a válvula eletrônica, que tem como base uma invenção muito conhecida e de inquestionável relevância para a humanidade: a lâmpada de incandescência, inventada por Thomas Alva Edison. Durante experiências com seu novo invento, Edison observou que a presença, dentro do bulbo, de uma lâmpada incandescente acesa, de uma placa metálica ligada a uma fonte positiva de energia, fazia com que elétrons circulassem do filamento da lâmpada até a placa. Mas como isso era possível, se a placa sequer encostava no filamento da lâmpada?
Experimento de Edison Como não havia ligação direta entre a placa e o filamento, Edison deduziu então que o circuito só podia estar sendo fechado através do espaço vazio entre eles, como mostra a figura acima, através das setas que indicam o sentido convencional da corrente (do positivo para o negativo). Edison também observou que, quando a polaridade da bateria ligada à placa era invertida, a passagem de corrente cessava. A este fenômeno foi dado o nome de “efeito Edison”, que é explicado da seguinte forma: quando um corpo material é aquecido, ele se dilata e os elétrons que compõem sua estrutura adquirem energia, libertando-se de suas órbitas e formando uma “nuvem de elétrons”, da mesma forma que as partículas de água formam vapor quando a água ferve. Assim, quando o filamento da lâmpada entra em incandescência, isto é, fica em brasa, em volta dele aparece uma nuvem de elétrons. Convém notar que isso só acontecerá se for feito o “vácuo” dentro da lâmpada, ou seja, se for retirado o ar de seu interior, pois, o ar, também formado por átomos, não deixaria espaço suficiente para movimento dos elétrons.
1 SENAI/SP Texto Base 1 - Diodos
A um dispositivo como a lâmpada de Edison, acrescida da placa receptora de elétrons, dá-se o nome de diodo termoiônico – porque possui dois eletrodos, que são o filamento da placa. Mas, dispositivos como as válvulas apresentavam inconvenientes, como grande dimensão e baixo rendimento. Para se ter uma idéia, um receptor de rádio comum, contendo cinco válvulas, retirava cerca de quarenta watts de energia da rede de alimentação! Muitas pesquisas foram realizadas para descobrir um substituto para as válvulas eletrônicas, que tivesse suas qualidades e não possuísse seus principais defeitos. Tais pesquisas foram coroadas com êxito quando cientistas descobriram os componentes eletrônicos baseados nos elementos semicondutores.
Semicondutores O prefixo “semi” da expressão semicondutor sugere sua característica, pois normalmente é aplicado a um nível intermediário entre dois limites – condutor e isolante. O termo condutor é usado para qualquer material que permite a circulação de um fluxo de elétrons, quando aplicada uma tensão entre seus terminais. Um isolante é o material que não permite a circulação de elétrons, quando submetido a uma tensão elétrica. Atualmente, os materiais mais importantes na fabricação de componentes semicondutores são: o germânio, o silício, o índio, o arsênico e o fósforo. Como você pode perceber, o semicondutor é, portanto, um mau condutor de eletricidade. Entretanto, quando se adiciona alguma substância ao semicondutor, suas propriedades elétricas sofrem profundas modificações. A substância que se adiciona a um semicondutor é chamada de impureza e o processo de adicioná-las ao semicondutor é chamado de dopagem.
Dopagem A dopagem é um processo químico, que tem por finalidade introduzir átomos estranhos a uma substância na sua estrutura cristalina. Normalmente, é realizada em laboratórios, com o objetivo mais específico de colocar no interior da estrutura de um cristal uma quantidade correta de uma determinada impureza, para que o cristal se comporte conforme as condições necessárias, em termos elétricos. Nos cristais semicondutores (germânio e silício, principalmente), a dopagem é realizada para atribuir ao material certa condutibilidade elétrica. A forma como o cristal irá conduzir a corrente elétrica e a sua condutibilidade dependem do tipo de impureza utilizada e da quantidade de impureza aplicada. Considerando-se estes fatores, podem ser obtidos através da dopagem dois tipos de semicondutores, o Tipo N e o Tipo P.
Semicondutores Tipo N Quando o processo de dopagem introduz na estrutura cristalina uma quantidade de átomos com mais de quatro elétrons na última camada, forma-se uma nova estrutura cristalina, denominada cristal N. Tome-se como exemplo a introdução de átomos de fósforo, que possuem cinco elétrons na última camada no cristal. Dos cinco elétrons externos do fósforo, apenas quatro encontram um par no cristal, que possibilite a formação covalente. 2 SENAI/SP Texto Base 1 - Diodos
Dopagem com átomos de mais de quatro elétrons na última camada O quinto elétron do fósforo não forma ligação covalente, porque não encontra um elétron na estrutura que possibilite esta formação. Este elétron isolado tem a característica de se libertar facilmente do átomo, passando a vagar livremente dentro da estrutura do cristal, constituindo-se um portador livre de carga elétrica.
Semicondutores Tipo P A utilização de átomos com menos de quatro elétrons na última camada para o processo de dopagem dá origem a um tipo de estrutura chamada de cristal P. O átomo de índio, por exemplo, que tem três elétrons na última camada, dá origem a um cristal P quando é utilizado na dopagem. Quando os átomos de índio são colocados na estrutura do cristal puro, verifica-se a falta de um elétron para que os elementos tetravalentes se combinem de forma covalente.
Dopagem com átomos de menos de quatro elétrons na última camada Esta ausência no interior do cristal é denominada de lacuna, sendo representada por uma carga elétrica positiva na estrutura química. A lacuna não é propriamente uma carga positiva, mas sim, a ausência de uma carga negativa. Os cristais dopados com átomos de menos de quatro elétrons na camada externa são denominados de cristais P, porque a condução de corrente elétrica no seu interior se dá pela movimentação das lacunas. 3 SENAI/SP Texto Base 1 - Diodos
Através do processo de dopagem, os semicondutores ficam prontos para formar os componentes eletrônicos baseados nesta tecnologia. O diodo é um dos mais simples componentes eletrônicos baseados em semicondutores, mas exerce um papel vital em sistemas eletroeletrônicos, com suas características assemelhando-se às de uma simples chave.
Diodos O diodo semicondutor é um componente que utiliza os dois tipos de materiais semicondutores já estudados e é representado nos esquemas pelo símbolo apresentado na figura:
Símbolo do diodo O terminal da seta representa o material P, denominado de Anodo do diodo, enquanto o terminal da barra representa o material N, denominado de Catodo do diodo.
Terminais do diodo A identificação dos terminais (anodo e catodo) no componente real pode aparecer de duas formas:
Símbolo impresso sobre o corpo do componente
Uma barra impressa que indica o catodo
4 SENAI/SP Texto Base 1 - Diodos
Construção do Diodo O diodo se constitui na junção de duas pastilhas de material semicondutor: uma de material N e uma de material P.
Construção do diodo semicondutor As duas pastilhas, P e N, são unidas por fusão através de intenso aquecimento. A pastilha resultante da fusão é denominada junção PN.
Comportamento dos Cristais após a Junção No momento em que materiais são unidos por fusão, os elétrons e buracos na região de junção se combinam, ou seja, o excesso de elétrons do material N tende a migrar para as lacunas no material P, resultando em uma ausência de portadores na região da junção. A região onde ocorre este fenômeno é chamada de região de Depleção.
Camada de depleção do diodo Essa região fica ionizada, cria-se uma diferença de potencial na junção chamada de barreira de potencial, que a 25° C é de aproximadamente 0,7 V para os diodos de silício, e de 0,3 V para os diodos de germânio. Não é possível medir com um voltímetro a tensão da barreira de potencial, porque este efeito é gerado internamente no componente. 5 SENAI/SP Texto Base 1 - Diodos
Polarização do Diodo Semicondutor Polarizar um diodo é aplicar uma tensão elétrica nos seus terminais. Como este componente tem somente dois terminais, é possível polarizá-lo de duas formas: polarização direta e polarização inversa. A polarização do diodo é denominada de polarização direta quando a tensão positiva é aplicada ao material P e a tensão negativa ao material N.
Polarização direta do diodo A polarização direta faz com que o diodo permita a circulação de corrente elétrica no circuito, através do movimento dos portadores livres.
Condução de corrente elétrica através de diodo semicondutor Quando o diodo está polarizado diretamente, conduzindo corrente elétrica, diz-se que o diodo está em condução. Um diodo semicondutor polarizado diretamente ( passagem de corrente elétrica.
) entra em condução, permitindo a
A polarização do diodo é denominada de polarização inversa quando ocorre a aplicação de tensão positiva no material N e negativa no material P.
6 SENAI/SP Texto Base 1 - Diodos
Polarização inversa do diodo A polarização inversa se faz com que o diodo impeça a circulação de corrente no circuito elétrico. Quando o diodo está polarizado inversamente, impedindo a circulação de corrente diz-se que o diodo está em bloqueio.
Bloqueio da passagem de corrente elétrica pelo diodo semicondutor Um diodo semicondutor polarizado inversamente ( passagem de corrente elétrica.
) entra em bloqueio, não permitindo a
Curva Característica do Diodo Semicondutor O comportamento dos componentes eletrônicos pode ser expresso através de uma curva característica que permite determinar a condição de funcionamento do dispositivo em um grande número de situações. A curva característica do diodo mostra o seu comportamento na condução e no bloqueio. A figura abaixo apresenta a curva do diodo com os dois quandrantes: de condução (quadrante superior direito) e de bloqueio (quadrante inferior esquerdo).
7 SENAI/SP Texto Base 1 - Diodos
Curva característica do diodo Durante a condução do diodo (quadrante superior direito), devido à existência da barreira de potencial e da resistência interna no diodo, verifica-se a presença de um pequeno valor de tensão sobre o diodo (tensão da barreira de potencial). Através da curva, verifica-se também que, enquanto a tensão sobre o diodo está abaixo de 0,7V (no caso do silício) ou 0,3 (no diodo de germânio), a corrente circulante é muito pequena. Isto se deve ao fato de que a barreira de potencial se opõe ao fluxo de cargas no diodo. Devido à existência desta barreira de potencial, a região típica de funcionamento dos diodos fica acima da tensão de condução característica. No bloqueio, o diodo semicondutor não atua como isolante perfeito, permitindo a circulação de uma corrente de fuga, de valor muito pequeno (da ordem de microampéres). Esta corrente de fuga aumenta, à medida que a tensão inversa sobre o diodo aumenta.
Especificação do Diodo Alguns dados são muito importantes na especificação de um diodo, como por exemplo: corrente direta máxima, tensão direta, tensão de ruptura e corrente de fuga.
Corrente direta máxima (IF): valor máximo de corrente que poderá passar pelo diodo, quando ligado na polarização direta. 8 SENAI/SP Texto Base 1 - Diodos
Tensão direta (VF): valor da queda de tensão sobre o diodo semicondutor. Este valor é considerado para o valor de corrente direta. Tensão de ruptura (VR): também é denominada de tensão inversa. É a tensão máxima admissível sobre o diodo quando polarizado inversamente, se este valor não for obedecido, o diodo se rompe. Corrente de fuga (IR): valor máximo de corrente que pode circular no diodo quando polarizado inversamente, para o valor de tensão de ruptura VR, este valor é na ordem de mili ou nano amperes. Exemplo de dados do diodo IN4004: Corrente direta máxima (IF)
1A
Tensão Direta (VF )
1,3V
Tensão de Ruptura (VR)
400V
Corrente de Fuga (IR)
10 µA
Cálculos em Circuitos com Diodos Como você já viu, o diodo quando polarizado diretamente, funciona praticamente como uma chave fechada e a tensão na carga será Vcc. A corrente que circula no circuito nesse momento é chamada de corrente de saturação (IS).
Analogia entre o diodo e uma chave 9 SENAI/SP Texto Base 1 - Diodos
Conforme a lei de Ohm, e desconsiderando a queda de tensão na barreira de potencial (aprox. 0,7 V) do diodo, podemos afirmar que:
Onde: Is:
Corrente de saturação;
Vcc:
Tensão de alimentação;
RL:
Resistência de carga
10 SENAI/SP Texto Base 1 - Diodos
