DIODO SEMICONDUTOR
Diodo semicondutor é um dispositivo ou componente
eletrônico composto de cristal semicondutor de silício ou germânio numa película cristalina
cujas faces opostas são dopadas por diferentes gases durante sua
formação, que causa a polarização de cada uma das extremidades.
É o tipo mais simples de
componente eletrônico semicondutor, usado como retificador de corrente elétrica.
Possui uma queda de tensão de, aproximadamente, 0,3 V (germânio) e 0,7 V (silício).
Comportamento em circuito
O diodo é um componente
elétrico que permite que a corrente atravesse-o num sentido com muito mais
facilidade do que no outro. O tipo mais comum de diodo é o diodo semicondutor,
no entanto, existem outras tecnologias de diodo. Diodos semicondutores são
simbolizados em diagramas esquemáticos como na figura abaixo. O termo
"diodo" é habitualmente reservado a dispositivos para sinais baixos,
com correntes iguais ou menores a 1A.
Quando colocado em um simples circuito
bateria-lâmpada, o diodo permite ou impede corrente através da lâmpada,
dependendo da polaridade da tensão aplicada, como nas duas figuras abaixo.
Na imagem da esquerda o diodo
está diretamente polarizado, há corrente e a lâmpada fica acesa. Na imagem da
direita o diodo está inversamente polarizado, não há corrente, logo a lâmpada
fica apagada.
O diodo funciona como uma chave
de acionamento automático (fechada quando o diodo está diretamente polarizado e
aberta quando o diodo está inversamente polarizado). A diferença mais
substancial é que, quando diretamente polarizado, há uma queda de tensão no
diodo muito maior do que aquela que geralmente se observa em chaves mecânicas
(no caso do diodo de silício, 0,7 V). Assim, uma fonte de tensão de 10 V,
polarizando diretamente um diodo em série com uma resistência, faz com que haja
uma queda de tensão de 9,3 V na resistência, pois 0,7 V ficam no diodo. Na
polarização inversa, acontece o seguinte: o diodo faz papel de uma chave
aberta, já que não circula corrente, não haverá tensão no resistor, a tensão
fica toda retida no diodo, ou seja, nos terminais do diodo há uma tensão de 10
V.
A principal função de um diodo
semicondutor, em circuitos retificadores de corrente, é transformar corrente
alternada em corrente contínua pulsante. Como no semiciclo negativo de uma
corrente alternada o diodo faz a função de uma chave aberta, não passa corrente
elétrica no circuito (considerando o “sentido convencional de corrente”, do
“positivo” para o “negativo”). A principal função de um diodo semicondutor, em
circuitos de corrente contínua, é controlar o fluxo da corrente, permitindo que
a corrente elétrica circule apenas em um sentido.
A dopagem do diodo semicondutor e os cristais P e N
A dopagem no diodo4 é feita pela introdução de elementos dentro de cristais tetravalentes,
normalmente feitos de silício e germânio. Dopando esses cristais com elementos
trivalentes, obtêm-se átomos com sete elétrons na camada de valência, que
necessitam de mais um elétron para a neutralização (cristal P). Para a formação
do cristal P, utiliza-se principalmente o elemento índio. Dopando os cristais
tetravalentes com elementos pentavalentes, obtêm-se átomos neutralizados (com
oito elétrons na camada de valência) e um elétron excedente (cristal N).
Para a formação do cristal N,
utiliza-se principalmente o elemento Fósforo. Quanto maior a intensidade da
dopagem, maior a condutibilidade dos cristais, pois suas estruturas apresentam
um número maior de portadores livres (lacunas e elétrons livres) e poucas impurezas
que impedem a condução da corrente elétrica. Outro fator que influencia na
condução desses materiais é a temperatura. Quanto maior é a temperatura de um
diodo, maior a condutibilidade, pelo fato de que a energia térmica ter a capacidade
de quebrar algumas ligações covalentes da estrutura, acarretando no
aparecimento de mais portadores livres para a condução de corrente elétrica.
Após dopadas, cada face dos
dois tipos de cristais (P e N) tem uma determinada característica diferente da
oposta, gerando regiões de condução do cristal, uma com excesso de elétrons,
outra com falta destes (lacunas). Entre ambas, há uma região de equilíbrio por
recombinação de cargas positivas e negativas, chamada de região de depleção
(a qual possui uma barreira de potencial).
Polarização do diodo
Gráfico mostra a curva
característica do comportamento do diodo em sua polarização direta e inversa
A polarização do diodo é
dependente da polarização da fonte geradora. A polarização é direta quando o pólo
positivo da fonte geradora entra em contato com o lado do cristal P(chamado de anodo)
e o pólo negativo da fonte geradora entra em contato com o lado do cristal
N(chamado de cátodo).
Assim, se a tensão da fonte
geradora for maior que a tensão interna do diodo, os portadores livres se
repelirão por causa da polaridade da fonte geradora e conseguirão ultrapassar a
junção P-N, movimentando-os e permitindo a passagem de corrente elétrica. A
polarização é indireta quando o inverso ocorre. Assim, ocorrerá uma atração das
lacunas do anodo(cristal P) pela polarização negativa da fonte geradora e uma
atração dos elétrons livres do cátodo (cristal N) pela polarização positiva da
fonte geradora, sem existir um fluxo de portadores livres na junção P-N,
ocasionando no bloqueio da corrente elétrica.
Pelo fato de que os diodos
fabricados não são ideais(contém impurezas), a condução de corrente elétrica no
diodo (polarização direta) sofre uma resistência menor que 1 ohm, que é quase
desprezível. O bloqueio de corrente elétrica no diodo (polarização inversa) não
é total devido novamente pela presença de impurezas, tendo uma pequena corrente
que é conduzida na ordem de microampéres, chamada de corrente de fuga, que
também é quase desprezível.
Testes com o diodo
Os diodos, assim como qualquer
componente eletrônico, operam em determinadas correntes elétricas que são
especificadas em seu invólucro ou são dadas pelo fabricante em folhetos
técnicos. Além da corrente, a voltagem inversa (quando o diodo está polarizado inversamente)
também é um fator que deve ser analisado para a montagem de um circuito e que
tem suas especificicações fornecidas pelo fabricante. Se ele for alimentado com
uma corrente ou tensão inversa superior a que ele suporta, o diodo pode ser
danificado, ficando em curto ou em aberto. Utilizando de um ohmímetro ou um multímetro
com teste de diodo, pode-se verificar se ele está com defeito.
Colocando-se as pontas de
prova desses aparelhos nas extremidades do diodo (cátodo e ânodo), verifica-se
que existe condução quando se coloca a ponteira positiva no ânodo e a negativa
no cátodo, além de indicar isolação quando ocorre o inverso. Assim o díodo está
em perfeitas condições de operação e com isso é possível a localização do
cátodo e do ânodo, porém se os aparelhos de medição indicarem condução dos dois
caminhos do díodo, ele está defeituoso e em curto. Se os aparelhos de medição
indicarem isolação nos dois caminhos, ele também está defeituoso e em aberto.
Usos
O fenômeno da condutividade em
um só sentido é aproveitado como um chaveamento da corrente elétrica para a
retificação de sinais senoidais, portanto, este é o efeito diodo semicondutor
tão usado na eletrônica, pois permite que a corrente flua entre seus terminais
apenas numa direção. Esta propriedade é utilizada em grande número de circuitos
eletrônicos e nos retificadores.
Os retificadores são circuitos
elétricos que convertem a tensão CA (AC) em tensão CC (DC). CA vem de Corrente
alternada, significa que os elétrons circulam em dois sentidos, CC (DC),
Corrente contínua, isto é circula num só sentido.
A certa altura, o potencial U
, formado a partir da junção n e p não deixa os eletrons e lacunas
movimentarem-se, este processo dá-se devida assimetria de cargas existente.
Tipos de diodos semicondutores
Os diodos são projetados para
assumir diferentes características: diodos retificadores são capazes de
conduzir altas correntes elétricas em baixa frequência, diodos de sinal
caracterizam-se por retificar sinais de alta frequência, diodos de chaveamento
são indicados na condução de altas correntes em circuitos chaveados. Dependendo
das características dos materiais e dopagem dos semicondutores há uma gama de
dispositivos eletrônicos variantes do diodo:
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