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terça-feira, 30 de junho de 2009

O diodo

O diodo é o mais simples dispositivo eletrônico semicondutor existente e de ampla aplicação na área de eletrônica. A palavra diodo está relacionada aos "dois eletrodos" presentes no dispositivo.

Sua construção consiste basicamente na formação de uma junção metalúrgica P-N. Quando em operação a região de depleção aumenta ou diminui de acordo com a polarização do dispositivo, ou seja ocorre a variação da altura da barreira de potencial, obtendo-se um funcionamento semelhante ao de uma chave, e sendo por isso bastante utilizado em circuitos eletrônicos.

Existem no mercado vários tipos de diodos como: Zener, LED, fotodiodo, varistor, Schottky, diodos de corrente constante, diodos de recuperação em degrau (step-recovery diodes), diodos de retaguarda (back diodes), diodo de tunelamento, etc. As curvas características de cada tipo de diodo irão determinar sua aplicabilidade.

a)

b)

Catodo (lado N) Anodo (lado P)
A figura "a" representa um símbolo básico de um diodo.

Este símbolo representa um catodo e um anodo. Através dele pode-se localizar facilmente o catodo e o anodo do dispositivo considerando a semelhança com a letra K. Como ilustra a figura "b".


Princípio de funcionamento

Quando um bloco de silício tipo N e um outro bloco de silício tipo P são colocados em contato íntimo (junção metalúrgica) os portadores de carga (elétrons e lacunas) em excesso de lado N e do Lado P se neutralizam através do processo de difusão. A corrente que se estabelece é conhecida como corrente de difusão.

Com o processo de difusão as cargas fixas do silício, que estavam neutras, se tornam íons devido à recombinação de pares elétrons-lacunas.

Estes íons criam um campo elétrico que por sua vez provoca uma corrente elétrica (conhecida como corrente de deriva) de sentido contrário à corrente de difusão.

Quanto maior for a corrente de difusão maior será a corrente de deriva em sentido oposto até que haja um equilíbrio entre elas, ou seja os portadores de carga não conseguem mais atravessar o campo elétrico por difusão.

Lado P Lado N

Região de depleção

Desta forma, estabelece-se regiões distantes a região neutra (onde a carga total é zero) e a região de depleção onde a concentração de portadores de carga é zero.

Quando aplicamos uma polarização direta (positivo no lado P e negativo no lado N) o campo elétrico externo criado na região de depleção é de sentido contrário ao campo interno fazendo com que a barreira de potencial seja reduzida permitindo a passagem de corrente elétrica através da região de depleção.

Quando aplicarmos uma polarização reversa (positivo no lado N e negativo no lado P) o campo elétrico interno criado na região de depleção é no mesmo sentido ao campo interno fazendo com que a barreira de potencail aumente dificultando a passagem de corrente elétrico através da região de depleção.






Curvas características

Define-se que a curva de um diodo ideal é igual a figura abaixo:

Curvas de um um diodo ideal

Curva de um diodo ideal

No entanto, uma barreira de potencial existente no diodo real representa uma diferença de tensão, como apresentada a seguir.

Curva de um diodo ideal associado a um gerador de tensão em série

Curva de um diodo ideal associado a um gerador de tensão, representando a diferença de potencial pela barreira de potencial.

Se considerarmos a resistividade do próprio material que compõe o diodo, podemos associar uma resistência em série, desta forma a curva resultante será do tipo:

Diodo ideal associado a um gerador de tensão e uma resistência em série

Curva de um diodo ideal associado a um gerador de tensão e uma resistência intríseca da sua estrutura.

Assim, podemos aproximar a curva característica de um diodo real pela curva acima.

No entanto, os diodos podem apresentar variações em relação a esta curva, de acordo com sua estrutura e sua fabricação.

Abaixo encontram-se duas curvas, uma representando a curva de um diodo Zenner, e outra de um diodo túnel:

Curva característica do diodo Zenner

Curva característica do diodo túnel




Junção P-N

O diodo basicamente é formado por uma junção P-N, onde existem portadores (negativos e positivos), íons fixos (de dopantes ou contaminantes), átomos constituintes do material ou do substrato utilizado.

Durante a formação da junção P-N há a formação também de uma barreira de potencial, e de uma região de depleção. Considere um instante em que seja formada a junção, neste instante surgem duas correntes: a corrente de difusão (gerada pela tendência dos portadores de cada material se distribuírem) e a corrente de deriva (devido ao campo elétrico). Inicialmente surge uma corrente de difusão maior que a corrente de deriva através da junção. Esta corrente diminui com o tempo, até que se iguala à corrente de deriva, anulando-se. Durante este processo a barreira de potencial e a região de depleção vão se formando, até que seja atingido o equilíbrio.

Lado P

No lado P da junção, as lacunas são chamadas portadores majoritários, e os elétrons portadores minoritários. Ao longo da estrutura tipo P existem íons negativos, devido aos dopantes aceitadores presentes na estrutura.

Região de depleção

Entre os dois materiais encontram a região de depleção. Uma região neutra, onde apenas se encontram íons positivos e negativos fixos na estrutura cristalina.

Lado N

No lado N da junção, existe uma quantidade maior de elétrons na banda de condução do que lacunas, neste caso os elétrons são chamados portadores majoritários, e as lacunas os portadores minoritários. Além disso existem íons positivos gerados pela presença de dopantes doadores no material tipo n.




Semicondutor Intrínseco e Extrínseco

Semicondutor intrínseco é aquele encontrado na natureza na sua forma mais pura, ou seja a concentração de portadores de carga positiva é igual à concentração de portadores de carga negativa.

Semicondutores extrínsecos ou dopados são semicondutores intrínsecos onde introduzimos uma impureza para controlarmos as características elétricas do semicondutor.

No caso do silício, como material semicondutor estas impurezas são elementos da coluna III (trivalentes) ou da coluna V (pentavalente) da tabela periódica.

Diagrama representando um conjunto de átomos de silício, com quatro elétrons na última camada.

Materiais tipo N e materiais tipo P

Quando introduzimos um átomo de uma impureza trivalente este possui somente três elétrons para completar as ligações covalentes, logo uma das ligações covalentes do silício ficará incompleta.

Diagrama representando um conjunto de átomos de silício, apresentando um átomo central trivalente, gerando um lacuna na rede.

Quando introduzimos um átomo de uma impureza pentavalente este possui cinco elétrons para completar as ligações covalentes, sendo que um elétron excedente torna-se livre para se conduzir.

Diagrama representando um conjunto de átomos de silício, e ma impureza pentavalente central, gerando um elétron livre.

A introdução de dopantes no material faz com que surjam íons no material, devido à não neutralização dos átomos doadores e aceitadores.





Portadores de carga

Os portadores de carga são partículas que transportam a carga elétrica de um ponto a outro.

O portador de carga negativa é o elétron, partícula esta muito conhecida e estudada por todos.

O portador de carga positiva é a lacuna que na realidade é a posição deixada pelo elétron na estrutura cristalina. Ou seja, é um "vazio" que se comporta como uma carga positiva.

Representação do movimento de uma lacuna



Geração e recombinação

Quando um material semicondutor intrínseco está a uma temperatura de 0 K, todas as ligações entre atômicas (ligação covalente) de sua estrutura cristalina estão completas. Ou seja, com a concentração de portadores de carga (elétrons e lacunas) é zero. Assim todas as ligações covalentes na faixa de valência estão completas.

Representação Gráfica das bandas de condução e de valência a zero Kelvin.

Representação gráfica das bandas de condução e de valência a zero Kelvin.


Representação das bandas de condução e valência acima de zero Kelvin.

Representação das bandas de condução e de valência acima de zero Kelvin.

Ao aumentarmos a temperatura (acima de 0 Kelvin) estamos fornecendo energia (térmica) ao sistema. Esta energia térmica provoca a vibração da estrutura cristalina do material semicondutor. A esta vibração térmica denominamos de agitação térmica. Com a agitação térmica da rede cristalina algumas ligações covalentes são quebradas, produzindo um elétron livre na faixa de condução e uma lacuna livre na faixa de valência. A este fenômeno denomina de geração de portadores ou geração de pares elétrons-lacunas.

Quando um elétron perde energia na foma fônons dentro da rede cristalina na faixa de condução, este tende a se recombinar com uma lacuna que está na faixa de valência reconstituindo a ligação covalente. A este fenômeno denominamos de recombinação de pares elétrons lacunas, ou recombinação de portadores.

Representação da geração e recombinação de portadores.

Representação da geração e recombinação de portadores.






Fabricação de um diodo

Para se fabricar um diodo é necessária a formação de uma junção metalúrgica P-N.

Inicialmente dopamos uma das faces da lâmina de silício intrínseco com dopantes tipo P. Em seguida dopamos a outra face da lâmina de silício com dopantes tipo N, como ilustra a animação. Desta forma obtemos a junção PN.

Considere um processo didático de diodo:





A estrutura cristalina do silício

O silício apresenta uma rede cúbica do tipo diamante, a célula primitiva é formada por uma estrutura cúbica face centrada com mais quatro átomos colocados internamente ao cubo, esses átomos estão distribuídos dois em cada um dos planos (001) que cortam a célula 1/4 e a 3/4 ad base de modo alternado. Como ilustra a figura abaixo.

Para examinar o modelo em VRML clique na figura.





Tipos de diodos

Diodo Zener

É um diodo utilizado como regulador de tensão, ele é feito para funcionar na região de ruptura. Analisando o gráfico IxV pode-se verificar a existência de um "joelho", onde encontramos uma região em que a tensão no diodo praticamente não se altera com um grande aumento de corrente, servindo como um regulador de tensão. Este diodo pode ser produzido com tensões de ruptura da ordem de unidades a dezenas de volts.

Através de um gráfico Corrente x Tensão podemos verificar a existência de uma tensão quase constante para correntes reversas mais altas, é nesta faixa que o diodo Zener trabalha.

Diodo Emissor de Luz (LED - Light Emitter Diode)

Numa corrente direta, quando os elétrons recombinam-se com as lacunas (após passarem pela região de depleção), dissipam energia (ou seja, a diferença de energia inicial e final) de alguma forma. Diodos Zener por exemplo, dissipam esta energin na forma de calor, LEDs no entanto irradiam luz. Através da utilização de elementos como gálio, arsênio e o fósforo por exemplo, podem ser produzidos LEDs que irradiam no vermelho, laranja, amarelo, verde,azul ou infravermelho.

Fotodiodo

Este é o nome dado a diodos que são produzidos especialmente para serem mais sensíveis à incidência de luz, aumentando a sua corrente reversa. Com o aumento da intensidade de luz o número de portadores minoritários aumenta, aumentando também a corrente reversa.

Diodo Schottky

Este tipo de diodo serve para diminuir a quantidade de carga "armadilhada" no diodo. Um diodo comum ao passar da região direta de condução para a reversa, produz durante um curto tempo uma corrente reversa alta, resultante de cargas armadilhadas (portadores do outro material que por algum motivo não se recombinaram ou passaram para o outro lado da junção), sendo um efeito importante no uso de diodos através de frequências altas; com a fabricação de um diodo utilizando-se ao invés do material P um metal (como ouro, prata ou platina), não haverão lacunas que possam armadilhar elétrons vindos do outro material durante a corrente direta, de forma que na passagem para corrente reversa não haverá este aumento de corrente citado.

Varactor

O varactor funciona como um "capacitor controlado por tensão". Imagine que o lado p e o lado n são as placas, e que a região de depleção representa o dielétrico, além disso, o circuito externo pode carregar esta capacitância retirando elétrons de valência do lado p e adicionando elétrons na banda de condução ao lado n. Desta maneira observamos a presença de um "capacitor" envolvido na estrutura. O ponto importante é que com o aumento da tensão reversa, a região de depleção aumenta, de maneira que a capacitância envolvida diminui, controlando-se a capacitância exitente pela tensão aplicada no dispositivo.

Diodos de corrente constante

Este tipo de diodo tem uma função inversa com a do Zener, ao invés de manter uma tensão constante em correntes altas, ele mantém uma corrente constante em faixas de tensão, desta maneira podem funcionar como controladores de corrente.

Diodos de recuperação em degrau

Diodos deste tipo através de um nível perfil de dopagem, apresentam uma corrente reversa alta durante um pequeno espaço de tempo devido às cargas armazenadas, quando em freqüência alternada, passa da condução direta para reversa e cai logo a zero, sendo por isso chamado de diodo de recuperação em degrau.

Diodos de retaguarda

Através do aumento da dopagem de diodos Zener pode-se obter correntes altas em tensões reversas baixas, diminuindo-se a tensão de ruptura reversa a -0,1 V, por exemplo, de forma que conduz melhor reversamente do que diretamente (a partir de cerca de 0,7V), sendo denominados diodos de retaguarda.

Diodos túnel
Através do aumento na dopagem de diodos de retaguarda, pode-se distorcer a curva de um diodo, quando a tensão de ruptura chega aproximadamente a 0 V, de maneira que a curva obtida pode apresentar uma faixa de condução, onde o diodo conduz até um valor máximo, onde com o aumento ou diminuição da tensão direta dentro de uma faixa, diminui a corrente resultante.

Varistores

São dispositivos que podem ser comparados a dois diodos Zener, um de costas para o outro, de maneira que há uma tensão de ruptura alta nos dois sentidos, podendo ser usados como filtros, ou para proteger equipamentos de picos de tensão, por exemplo.




Exemplos de circuitos

Eis alguns exemplos de circuitos que utilizam diodos:

Circuito "ou"

Circuito "e"

Circuito retificador

Através da característica do diodo (apresentando uma corrente maior em um tipo de polarização), podem ser feitos circuitos "retificadores".

Clique na figura com a tecla "Shift" apertada, para obter o circuito retificador ao lado(.sch).

Esperamos que futuramente esteja disponível um sistema de simulação de circuitos remoto.



Aplicações de diodos em circuitos

Logo abaixo podemos ver uma figura representando um esquema elétrico de uma placa utilizada em um televisor preto e branco, os diodos estão destacados, para ter-se uma idéia breve da utilização de diodos em circuitos deste tipo.



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