CAPÍTULO 2 – DIODO SEMICONDUTOR

CAPÍTULO 2 – DIODO SEMICONDUTOR
O diodo semicondutor é um dispositivo, ou componente eletrônico, composto de um cristal
semicondutor de silício, ou germânio, em uma película cristalina cujas faces opostas são dopadas por diferentes
gases durante sua formação. É o tipo mais simples de componente eletrônico semicondutor, usado como
retificador de corrente alternada. O termo diodo é usualmente reservado a dispositivos para sinais baixos, com
correntes iguais ou menores a 1A. O diodo apresenta uma queda de tensão1 conhecida como barreira potencial,
tensão de joelho ou tensão de limiar. Tal é de 0,3V para diodos de germânio e 0,7V para diodos de silício. Em
nossos estudos, sempre consideraremos diodos de silício, a menos que se indique o contrário.
A Figura 2.1 apresenta alguns modelos de diodos semicondutores de silício disponíveis no mercado. É
também apresentada a simbologia do diodo em comparação ao seu aspecto real. O terminal positivo do mesmo é
o ânodo, indicado pela letra A. O terminal negativo do mesmo é o cátodo, indicado pela letra K. Note que a barra
fina junto ao cátodo, na simbologia, tem coincidência com a faixa de cor branca ou cinza (em geral), em
comparação ao aspecto real do componente.
(a)
(b)
(c)
Figura 2.1 – (a) Alguns modelos de diodos semicondutores de silício disponíveis no mercado, mostrados em escala. (b)
Diodos usados em retificadores de baixa e ou média corrente. (c) Simbologia do diodo semicondutor em comparação com
seu aspecto real. O terminal positivo é o ânodo, indicado por A. O terminal negativo é o cátodo, indicado por K.
Comportamento do Diodo em Circuitos de Corrente Contínua
O diodo semicondutor é um componente elétrico projetado para conduzir a corrente elétrica com muito
mais facilidade em um sentido do que no outro. Quando colocado em um simples circuito bateria-lâmpada, como
ilustrado na Figura 2.2, o diodo pode permitir ou, então, impedir a passagem da corrente elétrica através da
lâmpada, dependendo da polaridade da tensão aplicada no circuito.
(a)
(b)
Figura 2.2 – (a) Diodo polarizado diretamente. (b) Diodo polarizado reversamente.
1
Daqui para diante, queda de tensão é o mesmo que tensão.
Na Figura 2.2-(a) o diodo está polarizado diretamente, de maneira que há corrente no circuito e a
lâmpada fica acesa. Neste caso, o positivo da fonte de fem é aplicado ao ânodo do diodo (que é positivo). O
negativo da fonte de fem é aplicado, indiretamente por meio da carga (isto é, a lâmpada), ao cátodo do diodo
(que é negativo). Assim, o diodo conduz diretamente a corrente elétrica, considerando esta no sentido
convencional2. Na Figura 2.2-(b) o diodo está polarizado reversamente, de maneira que não há corrente no
circuito e a lâmpada fica apagada. Neste caso, o negativo da fonte de fem é aplicado ao ânodo do diodo (que é
positivo). O positivo da fonte de fem é aplicado, indiretamente por meio da carga (isto é, a lâmpada), ao cátodo
do diodo (que é negativo). Assim, o diodo não conduz3 corrente elétrica alguma.
Da análise acima, vemos que o diodo funciona idealmente como uma chave fechada, quando tal está
polarizado diretamente, e como uma chave aberta, quando tal está polarizado reversamente. Entretanto, quando
polarizado diretamente, devemos considerar a queda de tensão do diodo. Assim, uma fonte de tensão de 10V
polarizando diretamente um diodo de silício, em série com uma resistência, fará com que haja uma queda de
tensão de 9,3 V na resistência, pois 0,7V ficam no diodo. Já em polarização reversa, o diodo fará o papel de uma
chave aberta. Assim, não circula corrente no circuito, de maneira que não haverá tensão no resitor. Logo, toda a
fem de 10V aparecerá entre os terminais do diodo.
A principal função de um diodo semicondutor, em circuitos retificadores de corrente, é transformar
corrente alternada senoidal em corrente contínua pulsante. No semiciclo negativo de uma corrente alternada
senoidal o diodo fará a função de uma chave aberta, não circulando corrente elétrica no circuito. A principal
função de um diodo semicondutor, em circuitos de corrente contínua, é controlar o fluxo da corrente, permitindo
que esta circule apenas em um sentido.
A Dopagem do Diodo Semicondutor e os Cristais P e N
O silício puro é um mau condutor de eletricidade. Tal só vem a se tornar um bom condutor de
eletricidade por meio de um processo de dopagem. A dopagem no diodo é feita pela introdução de elementos
dentro de cristais tetravalentes, normalmente feitos de silício e germânio. Dopando esses cristais com elementos
trivalentes, tais obterão átomos com sete elétrons na camada de valência, os quais necessitam de mais um elétron
para a neutralização (cristal P, de positivo). Para a formação do cristal do tipo P, utiliza-se principalmente o
elemento químico indio. Dopando os cristais tetravalentes com elementos pentavalentes, tais obterão átomos
neutralizados (com oito elétrons na camada de valência) e um elétron excedente (cristal N, de negativo). Para a
formação do cristal N, utiliza-se principalmente o elemento fósforo. Quanto maior a intensidade da dopagem,
maior será a condutibilidade dos cristais, pois suas estruturas apresentarão um número maior de portadores livres
(lacunas4 e elétrons livres) e poucas impurezas que impedem a condução da corrente elétrica. Após dopadas,
cada face dos dois tipos de cristais (P e N) apresentará uma determinada característica diferente da oposta,
gerando regiões de condução do cristal. Uma apresentará excesso de elétrons, enquanto na outra faltará estes
(lacunas). Entre ambas as regiões haverá uma região de equilíbrio por recombinação de cargas positivas e
negativas, conhecida como camada de depleção, a qual possui a denominada barreira de potencial.
Outro fator que influencia na condução desses materiais é a temperatura. Quanto maior for sua
temperatura, maior será a condutibilidade pelo fato da energia térmica ter a capacidade de quebrar algumas
ligações covalentes da estrutura. Isto acarreta o aparecimento de mais portadores livres para a condução de
corrente elétrica. A razão que fez o silício se tornar totalmente superior ao germânio na fabricação de diodos,
transistores e outros componentes semicondutores é que tal não apresenta elétros livres à temeperatura ambiente,
quando comparado ao germânio.
2
O denominado sentido convencional para a corrente considera esta formada por portadores de carga positiva. Assim, o
sentido da corrente é do terminal negativo para o positivo, dentro do gerador, e do terminal positivo para o negativo, por
fora do gerador, através do condutor elétrico (resistência).
3
Não conduz ou, então conduz precariamente a corrente, de maneira que esta não apresenta efeito mensurável.
4
As lacunas comportam-se como cargas elétricas positivas. Porém, tais não devem ser confundidas com os prótons.
2
Polarização do Diodo
A polarização do diodo é dependente da polarização da fonte de fem, conforme explicado anteriormente.
A polarização é direta quando o pólo positivo da fonte de fem entra em contato com o lado do cristal P
(denominado ânodo) e o pólo negativo da fonte entra em contato com o lado do cristal N (denomindado cátodo).
Assim, se a tensão da fonte de fem for maior que a tensão de limiar do diodo, os portadores livres se repelirão
por causa da polaridade da fonte de fem e conseguirão ultrapassar a junção P-N, movimentando-os e permitindo
a passagem de corrente elétrica. A polarização é reversa quando o inverso ocorre. Assim, ocorrerá uma atração
das lacunas do anodo (cristal P) pela polarização negativa da fonte de fem e uma atração dos elétrons livres do
cátodo (cristal N) pela polarização positiva da fonte, sem existir um fluxo de portadores livres na junção P-N,
ocasionando no bloqueio da corrente elétrica. Pelo fato dos diodos fabricados não serem ideais (pois tais contém
impurezas), a condução de corrente elétrica no diodo (polarização direta) sofre uma resistência menor que 1Ω,
que é quase desprezível. O bloqueio de corrente elétrica no diodo (polarização reversa) não é total devido
novamente à presença de impurezas, tendo uma pequena corrente que é conduzida na ordem de microampéres,
denominada de corrente de fuga, que também é quase desprezível. Porém, se aumentarmos a tensão reversa o
suficiente, o diodo eventualmente atingirá sua tensão de ruptura. Dessa maneira, o diodo passa a conduzir
intensamente, resultando na denominada corrente de avalanche. A Figura 2.3 ilustra esses detalhes em um
gráfico da corrente I contra a tensão V para um diodo semicondutor de silício. O gráfico é um esboço da
denominada curva do diodo.
Figura 2.3 – O diodo polarizado diretamente não conduz até que se ultrapasse a barreira potencial, também chamada de
tensão de joelho ou tensão de limiar. É por isso que a corrente é pequena demais para os primeiros décimos de volt iniciais.
No diodo de silício, esta tensão é em torno de 0,7V. Quando se reverte a polarização do diodo, obtém-se uma corrente
reversa extremamente pequena (conhecida como corrente de fuga), a qual um amperímetro dificilmente registra (por falta de
escalas menores para corrente). Se aumentarmos a tensão reversa o suficiente, ele eventualmente atingirá sua tensão de
ruptura, passando a conduzir intensamente, resultando na denominada corrente de avalanche.
Abaixo, segue a tabela com as medidas de corrente para as respectivas medidas de tensão em um circuito
série contendo um diodo semicondutor de silício 1N4004 polarizado diretamente, um resistor de 1kΩ/(1/4W) e
uma fonte de fem (variável, na realidade). O diagrama do circuito também é mostrado na Figura 2.4.
Polarização Direta:
ε(volts)
0
0,5
1
2
3
4
5
I (mA)
0
0,001
0,33
1,30
2,28
3,25
4,30
Figura 2.4 – Diodo em polarização direta.
3
Para o cálculo da corrente no circuito com o diodo em polarização direta temos, pela lei das malhas, que
I=
ε − VD
R
,
(2.1)
onde ε é a fem (da fonte de tensão), VD é a tensão de limiar do diodo e R é a resistência usada no circuito.
Abaixo, segue a tabela com as medidas de corrente para as respectivas medidas de tensão no circuito da
Figura 2.4, porém considerando o diodo semicondutor de silício 1N4004 polarizado reversamente. O diagrama
do circuito é mostrado na Figura 2.5.
Polarização Reversa:
ε(volts)
0
0,5
1
2
3
4
5
I(mA)
0
0
0
0
0
0
0
Figura 2.5 – Diodo em polarização reversa.
Do experimento com o diodo em polarização direta, vemos que tal passa a conduzir corrente somente
próximo aos 0,7V de sua tensão de limiar. Já com o diodo em polarização reversa, não houve condução de
corrente, como era de se esperar.
Teste de Diodos com o Multímetro
Os diodos, assim como qualquer componente eletrônico, operam em determinadas faixas de correntes
elétricas, as quais são especificadas em seu invólucro ou são dadas pelo fabricante, em folhetos técnicos. Além
da corrente, a tensão inversa (quando o diodo está polarizado reversamente) também é um fator que deve ser
analisado para a montagem de um circuito, e que tem suas especificicações fornecidas pelo fabricante. Se o
diodo for submetido a uma corrente ou tensão reversa superior a que ele suporta, tal 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 catodo,
além de indicar isolação quando ocorre o inverso. Assim, o diodo está em perfeitas condições de operação.
Também, com este procedimento é possível a localização do cátodo e do ânodo, em caso de dúvidas (devido a
problemas de identificação da faixa branca/cinza que representa o cátodo). Porém, se os aparelhos de medição
indicarem condução dos dois caminhos do diodo, ele está com defeito, pois apresenta-se em curto. Caso os
aparelhos indicarem isolação nos dois caminhos, ele também está com defeito, pois apresenta-se aberto.
Use o teste de diodo disponível nos multímetros para examinar os diodos, transistores, retificadores
controlados a silício (SCRs) e outros dispositivos semicondutores, os quais serão estudados mais adiante. Esta
função testa a junção de um dispositivo semicondutor, enviando uma corrente através da junção, e, em seguida,
mede a queda de tensão na junção. Uma boa junção de silício apresenta uma queda entre 0,5V e 0,8V.
Para testar um diodo semicondutor, configure o multímetro como mostrado na Figura 2.6. Para leituras
de polarização em qualquer componente semicondutor, coloque a ponta de prova vermelha no terminal positivo
do componente e a ponta de prova preta no terminal negativo do componente. Em um dado circuito, um diodo
4
semicondutor em boas condições deve continuar a produzir uma polarização entre 0,5V e 0,8V. No entanto, a
leitura da polarização pode variar dependendo da resistência em outros percursos entre as pontas de prova.
Figura 2.6 – Teste de diodos semicondutores de silício com multímetro.
Se o diodo estiver em bom estado (0,5V < tensão de polarização < 0,85V), será emitido um bipe curto
(caso o multímetro seja dotado deste sistema). Se a leitura indicar uma tensão de polarização de
aproximadamente 0,1V (tensão de polarização ≤ 0,1V) será emitido um bipe contínuo (caso o multímetro seja
dotado deste sistema). Isso significa que há um curto-circuito neste componente. Se o diodo estiver aberto, a tela
do aparelho indicará “OL” ou, simplesmente “1.” no canto esquerdo do visor, indicando fora de escala.
Nunca teste o diodo semicondutor diretamente no circuito em questão, quer este esteja ou não desligado.
Neste caso, a conexão do diodo com demais dispositivos do circuito (resistores, capacitores, indutores, circuitos
integrados, etc) influirá na sua medida, acarretando erros devidos, dentre outros “diversos” fatores, à impedância
existente no circuito entre os pontos de conexão das ponteiras de prova do multímetro, conforme mencionado
anteriormente. Em suma, teste o diodo independentemente do circuito, conforme ilustrado na Figura 2.6.
EXERCÍCIOS PROPOSTOS
1. Considere o circuito do diodo semicondutor de silício em polarização direta mostrado na Figura 2.4.
Considerando que fem do circuito, suposta ideal, seja de 9V, a resistência de 1kΩ e a tensão de limiar do
diodo tipicamente de 0,7V, determine a corrente do circuito.
2. Considere o circuito do diodo semicondutor de silício em polarização direta mostrado na Figura 2.4.
Sendo a resistência de 10kΩ e a corrente que atravessa o circuito de 1,13mA, determine a fem do
circuito, suposta ideal. Considere a tensão de limiar do diodo tipicamente de 0,7V.
5
3. Dado o circuito abaixo, de fem ideal, determine o valor da intensidade da corrente que percorre o diodo.
Considere a tensão de limiar do diodo semicondutor de silício tipicamente de 0,7V. Dica: lembre do
teorema de Thevenin e aplique-o para o diodo.
ε = 12V
R1 = azul , preto, vermelho
R2 = 50% R1
R3 = 1 3 R2
Observação: Despreze as “tolerâncias” das
resistências para os cálculos dessa questão.
4. Considere o circuito abaixo, de fem ideal. Sabe-se que a tensão Thevenin do circuito, do ponto de vista
do diodo, é de 9,7V. A corrente que atravessa o diodo é de 3,6mA. O resistor R2 não é conhecido.
Considerando a tensão de limiar do diodo semicondutor de silício tipicamente de 0,7V, determine:
R1 = marrom, preto, laranja
R3 = verde, preto, marrom
Observação: Despreze as “tolerâncias” das
resistências para os cálculos dessa questão.
a) O valor do resistor R2.
b) O valor da fem do circuito.
Dica: lembre do teorema de Thevenin e aplique-o para o diodo.
RESPOSTAS DOS EXERCÍCIOS PROPOSTOS
1.
2.
3.
4.
8,3mA.
12V.
1,1mA.
a) 2,5kΩ; b) 48,5V.
6