Diodo

Díodos
Há um conjunto de dispositivos electrónicos que são designados por díodos. Estes
dispositivos têm 3 características fundamentais comuns:
•
•
•
Têm dois terminais (tal como uma resistência).
A corrente que passa depende da tensão aos seus terminais.
Não obedecem à lei de Ohm!
Para entender o funcionamento de um díodo vamos ver as características de um
tipo de material designado por semicondutor.
No entanto, ainda antes disso, relembremos o que distingue um condutor de um
isolador.
No condutor os electrões de valência estão fracamente ligados ao átomo – são
normalmente átomos grandes com apenas um electrão na camada de valência. Este
electrão por um lado está muito “longe” do núcleo e por outro lado “vê” o núcleo
escudado pelos outros electrões mais internos. O efeito atractivo do núcelo
relativamente a este electrão está muito diminuído, portanto.
Se considerarmos uma barra de um metal qualquer ela é constituída por um número
muito elevado de átomos em que os electrões, por serem fracamente ligados ao
núcleo, têm grande facilidade de se deslocarem pelo que rapidamente reagem a
uma diferença de potencial aplicada aos terminais da barra.
Os isoladores são materiais em que os electrões da camada de valência estão
rigidamente ligados aos átomos. As estruturas que estes átomos formam são
estruturas em que os electrões se mantêm fortemente localizados e ligados aos
átomos.
Há um terceiro tipo de material cujo comportamento está entre os dois: é o
semicondutor. Os semicondutores mais comuns são o germânio e o silício. O seu
comportamento é atribuível à ligação química que formam em na estrutura que é
uma ligação covalente em que cada átomo se liga a 4 átomos vizinhos. Neste tipo de
ligações há partilha de electrões entre os átomos. Os electrões das camadas
internas mantêm-se ligados a cada núcleo a que pertencem. Embora o tipo de
estrutura seja igual à do diamante (isolador) a dimensão (distância interatómica) é,
neste caso, diferente. Um cristal de silício, por exemplo, é diferente de um
isolador porque a qualquer temperatura acima do zero absoluto há uma
probabilidade finita de que um electrão da rede cristalina se “liberte” da sua
posição fixa na rede deixando o que se designa por lacuna, ou seja um déficit de
electrão. A lacuna, na medida em que pode ser preenchida por um electrão de um
átomo vizinho, também pode contribuir para a corrente (contribui para o
movimento de cargas, ou seja para a corrente).
Portanto, tanto electrões como lacunas contribuem para a corrente num
semicondutor.
No zero absoluto de temperatura estes materiais são isoladores e à temperatura
ambiente a condutividade é baixa quando comparada com a dos condutores.
Aumentando a temperatura a condutividade aumenta.
Outra hipótese para aumentar a condutividade é introduzir impurezas na
estrutura do material semicondutor fazendo o que se designa por semicondutor
dopado. Estas impurezas, se forem inseridas de modo uniforme por todo o material
e em quantidade controlada, vão modificar significativamente as características de
condutividade do material.
Por exemplo se inserirmos uma impureza com 5 electrões
valência “sobra” um electrão dos quatro que são partilhados
com o Si. Esse electrão fica livre pelo material podendo
servir de transportador de carga. O semicondutor assim
dopado designa-se por semicondutor de tipo n (negativa) e os
átomos inseridos são dadores (de electrões). É claro que o
material se mantém electricamente neutro visto que o
número de electrões é igual ao número de protões no núcleo
dos átomos de impureza, mas há excesso de electrões
Se em vez de um átomo com 5 electrões valência usarmos
átomos com 3 electrões valência haverá um lugar vago nas
ligações covalente – uma lacuna na estrutura. Esse material
semicondutor dopado com uma impureza com 3 electrões
valência (ao invés de 5) designa-se por material do tipo p e os
transportadores de carga são as lacunas, ou seja as lacunas
vão sendo preenchidas por electrões que assim geram uma corrente de sentido
contrário à gerada no caso anterior. Embora o movimento seja realmente do
electrão pode considerar-se que a lacuna se moveu em sentido contrário ao do
electrão. Estas impurezas designam-se por aceitadores. O material continua,
obviamente e pela mesma razão descrita anteriormente, a ser electricamente
neutro.
Semi condutores de tipo-n e de tipo-p
A resistividade dos semicondutores
Todos os materiais, isoladores ou condutores têm uma resistividade, i.e. uma
resistência à passagem da corrente. A resistividade é, portanto, complementar da
condutividade: quanto maior a resistividade, menor a condutividade. A unidade de
resistividade de um material é o ohm-m ou ohm-cm.
Abaixo está uma tabela dos níveis de resistividade de alguns materiais.
Teoria de bandas nos sólidos
Um modo de visualizar e explicar a diferença entre condutores, isoladores e semicondutores é examinar os níveis de energias disponíveis para os electrões nos
materiais. Em vez de ter níveis discretos de energia (como nos átomos livres)
supõe-se que os estados disponíveis de energia nos materiais formam bandas. Há
duas bandas: a banda valência e a banda de condução, separadas por uma gap de
energia cuja amplitude varia com a natureza do material. Para o processo de
condução é fundamental saber em que banda estão os electrões. Nos isoladores os
electrões estão na banda de valência e esta está separada da banda de condução
por uma gap grande de energia. Nos condutores as duas bandas estão sobrepostas.
Nos semicondutores a gap de energia é suficientemente pequena de tal modo que a
própria agitação térmica permita aos electrões saltar de uma banda para a outra.
Com esta gap pequena uma pequeníssima percentagem de material dopante pode
aumentar drasticamente a condutividade do material.
Um parâmetro importante para a teoria de bandas é o nível de Fermi, que
estabelece o limite superior das energias disponíveis para os electrões a baixas
temperaturas. A posição do nível de Fermi relativamente à banda de condução é o
factor que determina as propriedades eléctricas de um material.
Tanto o Ge como o Si, à temperatura ambiente, são fracos condutores, como já foi
dito. No entanto, um cristal de Si é diferente de um isolador porque a qualquer
temperatura acima do zero absoluto há uma probabilidade finita de um electrão da
rede ser “libertado” da ligação em que participa e deixe, em seu lugar, uma lacuna.
Há duas formas de aumentar a condutividade destes materiais: aumentando a
temperatura. Deste modo os electrões partilhados ficam mais libertos, podendo
mesmo passar a electrões livres.
Bandas de energia nos semicondutores
Para os semicondutores intrínsecos (não dopados), o nível de Fermi fica a meio
caminho entre as bandas valência e de condução. Embora a 0 K não haja condução, a
temperaturas superiores há um número finito (>0) de electrões que consegue
atingir a banda de condução. Nos semicondutores dopados aparecem níveis
suplementares de energia.
Bandas para semicondutores dopados
A aplicação da teoria de bandas em semicondutores de tipo n e de tipo p mostra
que as impurezas trazem níveis adicionais de energia. Nos materiais de tipo n há
níveis de energia para os electrões perto do topo da gap de modo que os electrões
podem facilmente passar para a banda de condução. Nos materiais de tipo p as
lacunas extra na gap permitem a excitação de electrões para essas lacunas,
deixando lacunas “móveis” na banda valência.
Utilizações do semicondutor
O semicondutor é um material fundamental na indústria electrónica. Os
dispositivos com semicondutor são hoje utilizados em todo tipo de circuitos. Os
dispositivos semicondutores mais comuns são o díodo, o transistor e os
dispositivos fotossensíveis.
Diodo semicondutor
É formado pela junção de material de tipo p e material de tipo n e tem como função
básica permitir o fluxo de corrente eléctrica apenas num sentido.
Transistor
É formado pela inserção de um semicondutor tipo p entre dois semicondutores tipo
n ou vice-versa. O material do meio é chamado base e os outros, emissor e
colector. O transístor funciona basicamente como um amplificador de corrente se
esta for alta (ligeiramente alta) ou como um interruptor de corrente se esta for
próxima de zero.
Dispositivos fotossensíveis
Se dividem em Células fotocondutivas: fotoresistores, fotodiodos e
fototransistores; e Células fotovoltaicas.
As células foto condutivas funcionam da seguinte forma: Quando um fluxo luminoso
incide sobre o material semicondutor, os fotões fornecem energia suficiente aos
electrões para produzir a ruptura de ligações covalentes. Este processo gera a
produção de pares electrão-lacuna, que provoca um aumento da condutividade do
semicondutor. Esse fenómeno é conhecido como foto condutividade. Quanto às
células foto voltaicas, conforme o nome indica, produzem uma tensão eléctrica
quando submetidas à acção de um fluxo luminoso.
Junção p-n
Uma das utilizações mais comum dos semicondutores é a junção p-n. Quando
materiais de tipo n e de tipo p são colocados em contacto a junção dos dois
materiais comporta-se de modo diferente de cada um dos materiais em separado.
Concretamente a corrente fluirá prontamente num sentido (polarização directa)
mas não em sentido contrário (polarização inversa), criando um díodo. A não
reversibilidade do comportamento vem da natureza do processo de transporte de
carga nos dois tipos de material.
Na figura os círculos abertos representam as lacunas (provenientes do dopante de
tipo p) que funcionam como transportadores de carga positiva. Os círculos
fechados representam os electrões disponibilizados pelo dopante de tipo n. Perto
da junção os electrões difundem-se e combinam-se com as lacunas, criando o que
se designa por zona de depleção. O diagrama de energias da direita pretende
indicar a condição de equilíbrio da junção p-n.
Zona de depleção
Quando os matérias de tipo n e de tipo p são postos em contacto, na junção p-n,
alguns dos electrões livres da região n difundem-se através da junção e combinamse com as lacunas, formando iões negativos. Ao fazerem isto deixam iões positivos
do outro lado (do lado da impureza dadora). A figura mostra os dois materiais
antes e depois de postos em contacto.
Analisemos os detalhes
No lado do semiconductor de tipo p há lacunas devidas às
impurezas aceitadoras (bolas brancas). No lado do
semicondutor de tipo n há electrões extra (bolas pretas).
Quando os materiais são postos em contacto alguns dos
electrões da região n difundem-se para o lado tipo p e
combinam-se com as lacunas aí existentes
O preenchimento da lacuna dá origem a um ião negativo e para
trás (do lado tipo n) fica um ião positivo. Cria-se assim uma
zona de carga espacial, que se designa por zona de depleção,
que acabará por impedir a transferência de mais electrões a
não ser que sejam criadas condições especiais para isso (ddp).
Efeito da polarização nos electrões na zona de depleção
Equilíbrio da junção
A repulsão electrostática dos iões
suspende a migração através da junção. Os
electrões que atravessaram de um lado
para o outro atingem o equilíbrio. Não pode
haver mais transferências pela acção
simultânea da repulsão devido aos iões
negativos que se formaram na região p e
da atracção dos iões positivos do lado n.
Polarização inversa
Uma tensão externa com a polaridade
indicada na figura impede o fluxo de
electrões através da junção. Para que haja
condução os electrões do lado n devem
deslocar-se para a junção e combinar-se
com as lacunas do lado p. A polarização
inversa afasta os electrões da junção,
impedindo a condução.
Polarização directa.
Uma tensão externa com o sentido
indicado (directa) permite que os
electrões vençam a barreira de Coulomb
criada pela carga espacial na zona de
depleção. Os electrões poderão então
deslocar-se facilmente.
Junção p-n polarizada directamente
Polarizando directamente uma junção p-n atrairá as lacunas do lado
p e os electrões do lado n para a junção. Na junção electrões e
lacunas combinam-se mantendo uma corrente contínua
Junção p-n polarizada inversamente
A aplicação de uma tensão inversa à junção p-n gera uma corrente
transitória à medida que tanto electrões como lacunas são
afastados da junção. Quando a ddp formada pela zona de depleção
(alargada) for igual à tensão aplicada a corrente pára (excepto uma
pequena componente térmica).
A junção p-n consiste basicamente na zona de transição, entre uma região de
material semicondutor cuja condutividade eléctrica é dominada por portadores de
carga tipo-n (electrões) e uma região cuja condutividade é dominada por
portadores de carga tipo-p (lacunas). A região de transição, também chamada de
zona de depleção, é caracterizada pela existência de um forte campo elétrico E.
Este campo é devido à existência de cargas elétricas fixas na rede cristalina,
originadas pela depleção de portadores livres que, durante a formação da junção,
se difundiram para o lado oposto. No equilíbrio, forma-se uma barreira de
potencial, eVB, que impede a difusão continuada de portadores maioritários de um
lado para o outro.
Diodo de junção p-n
A natureza da junção p-n é tal que conduz corrente em sentido
directo mas não em sentido inverso. A representação gráfica da
corrente em função da tensão aplicada designa-se por curva
característica do díodo. É uma curva empírica, apresentada pelo
fabricante e que indica o comportamento do dispositivo quando
inserido num circuito.
Linha de carga
Considere-se o seguinte circuito:
Em que NLD um dispositivo não-linear (por exemplo um díodo) que tem uma curva
característica conhecida. VD deve satisfazer simultaneamente a curva
característica do díodo e a equação do circuito
Pode-se fazer um gráfico simultâneo de ambas as curvas:
polarização directa
Polarização inversa
Modelos dos díodos
Normalmente diz-se que a corrente através de um díodo varia exponencialmente
com a tensão aplicada. A forma da exponencial depende de vários parâmetros em
especial da corrente de saturação.
Há dois problemas com este resultado: um é que a eq. é complicada e difícil de
tratar, e o outro é que a eq. está normalmente errada. O facto é que a relação
corrente /tensão depende dos detalhes de como o díodo foi construído (materiais,
etc, etc).
Para contornar este problema arranjaram-se 3 modelos dos quais, em cada caso, se
escolhe o que melhor se adequar à situação.
Vd é a altura da barreira do díodo quando não há tensão aplicada. Assim, a energia
que um electrão (ou lacuna) tem de ter para atravessar a barreira é eVd.
O modelo 'square law' admite que a corrente, quando polarizado
directamente, é proporcional ao quadrado da tensão aplicada.
O modelo 'corner' admite que a corrente é zero para qq tensão
inferior a Vd mas aumenta quando aplicamos uma tensão superior a esta. O
díodo é visto como um interruptor que está aberto quando aplicamos
tensões baixas ou negativas mas que fecha quando a tensão aplicada é > ou =
a Vd. Ou seja é impossível ter uma tensão superior a esta aos terminais do
díodo. Se aplicarmos uma tensão maior do que esta das duas uma: a fonte dá
toda a corrente e a corrente através do díodo é essa ou a corrente é tão
alta que queima o díodo. Vd é a corner voltage.
O modelo 'one way' limita-se a admitir que Vd é tão baixo que é ~0.
É uma simplificação um pouco drástica mas para a maior parte dos casos
chega. I.e. o díodo é um interruptor que está aberto (corrente=0) quando a
tensão tem um determinado sentido e fechado (passa toda a corrente) para
a tensão em sentido inverso.
Efeito de Zener
Se a tensão inversa aplicada a uma junção p-n fôr suficientemente elevada dá-se
um ruptura (breakdown) na junção e passa a haver condução em sentido inverso. Os
electrões valência que são libertados por acção do potencial aplicado podem ser
acelerados o suficiente para libertarem (por colisão) outros electrões e o processo
rapidamente se torna uma avalanche. Quando este processo está em curso,
variações muito pequenas na tensão aplicada podem produzir alterações dramáticas
na corrente, como mostra a figura. O processo de ruptura depende do campo
aplicado ou seja da tensão aplicada e da espessura da zona de depleção, por isso há
díodos de Zener que entram em ruptura a 4V ou a centenas de Volts.
Díodo de Zener
O díodo de Zener usa uma junção p-n polarizada inversamente e tira partido do
efeito de Zener, ou seja da ruptura que mantém a tensão num valor
aproximadamente constante e independente da corrente, designado por tensão de
Zener. É um dispositivo útil em reguladores fornecendo uma tensão constante, etc.
Aplicações específicas de díodos de Zener
Regulador de Zener
A tensão inversa constante
do díodo de Zener torna-o uma componente
importante para a estabilização da tensão de saída contra variações na tensão de
entrada ou variação da tensão de carga. A corrente através do Zener varia de
modo a manter a tensão dentro dos limites da acção de Zener.
Limitador de Zener
Um díodo de zener pode limitar um lado de uma onda sinusoidal à tensão de Zener
mantendo o outro lado da onda a ~zero. Com dois diodos Zener opostos pode
limitar-se os dois lados à tensão de Zener.
Aplicações de díodos
Rectificadores
Rectificador de meia onda
Rectificador de meia onda com filtro