Aula: Diodo Semicondutor

03/08/2011

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DIODO SEMICONDUTOR

Prof. Marcelo Wendling

Ago/2011

Conceitos Básicos

O diodo semicondutor é um componente quepode comportar-se como condutor ou isolanteelétrico, dependendo da forma como a tensão éaplicada aos seus terminais. Essa característicapermite que o diodo semicondutor possa serutilizado em diversas aplicações, como, porexemplo, na transformação de corrente alternadaem corrente contínua.

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Formação do Diodo: Junção PN

Um diodo semicondutor é formado a partir dajunção entre um semicondutor tipo p e umsemicondutor tipo n:


Logo após a formação da junção pn, alguns elétronslivres se difundem do semicondutor tipo n para osemicondutor tipo p. O mesmo processo ocorre comalgumas lacunas existentes no semicondutor tipo p quedifundem para o semicondutor tipo n.

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Conforme ilustrado abaixo, as cargas produzidas nasproximidades da junção são cargas fixas à rede cristalina.Essa região de cargas próxima à junção é denominadaregião de cargas descobertas ou região de depleção.


Com o aparecimento da região de depleção, otransporte de elétrons para o lado p é bloqueado, pois estessão repelidos da região negativamente carregada do lado p.O mesmo efeito se aplica para lacunas cujo transporte parao lado n é repelido pelas cargas positivas existentes no ladon da junção.

Portanto, imediatamente após a formação da junção,uma diferença de potencial positiva é gerada entre os ladosn e p. Essa barreira de potencial previne a continuação dotransporte de portadores através da junção pn nãopolarizada.

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A tensão Vγ proporcionada pela barreira de potencialno interior do diodo, depende do material utilizado nasua fabricação. Valores aproximados para os diodos degermânio e silício são Vγ = 0,3 [V] e Vγ = 0,7 [V],respectivamente.

Não é possível medir diretamente o valor de Vγ

aplicando um voltímetro conectado aos terminais dodiodo, porque essa tensão existe apenas em umapequena região próxima à junção. No todo, ocomponente é eletricamente neutro, uma vez que nãoforam acrescentados nem retirados portadores do cristal.

Aspecto e Representação do Diodo

O diodo semicondutor é representado em diagramasde circuitos eletrônicos pelo símbolo ilustrado abaixo. Oterminal da seta representa o material p, denominado deanodo do diodo, enquanto o terminal da barrarepresenta o material n, denominado de catodo dodiodo.

p n

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Aspecto e Representação do Diodo

A identificação dos terminais do componente realpode aparecer na forma de um símbolo impresso sobre ocorpo do componente ou ainda o catodo do diodo podeser identificado através de um anel impresso nasuperfície do componente:

Aplicação de tensão sobre o Diodo

A aplicação de tensão sobre o diodoestabelece a forma como o componente secomporta eletricamente. A tensão pode seraplicada ao diodo pela polarização direta ou pelapolarização inversa do componente

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Polarização Direta

Polarização direta é uma condição que ocorre quandoo lado p é submetido a um potencial positivo relativo aolado n do diodo.

Nessa situação, o polo positivo da fonte repele aslacunas do material p em direção ao polo negativo,enquanto os elétrons livres do lado n são repelidos dopolo negativo em direção ao polo positivo.


Na situação ilustrada aolado, o valor da tensãoaplicada ao diodo é inferiorao valor Vγ da barreira depotencial. Nessa condição,a maior parte dos elétronse lacunas não têm energiasuficiente para atravessar ajunção.

Como resultado,apenas alguns elétrons elacunas têm energiasuficiente para penetrar abarreira de potencial,produzindo uma pequenacorrente elétrica através dodiodo.

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Se a tensão aplicada aosterminais do diodo excedeo valor da barreira depotencial, lacunas do lado pe elétrons do lado nadquirem energia superioràquela necessária parasuperar a barreira depotencial, produzindo comoresultado um grandeaumento da correnteelétrica através do diodo.

Quando o diodo estápolarizado diretamente,conduzindo correnteelétrica sob a condição V >Vγ, diz-se que o diodo estáem condução.

Polarização Inversa

A polarização inversa de um diodo ocorre quando olado n fica submetido a um potencial positivo relativo aolado p do componente.

Nessa situação, os polos da fonte externa atraem osportadores livres majoritários em cada lado da junção; ouseja, elétrons do lado n e lacunas do lado p são afastadosdas proximidades da junção.

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Polarização Reversa

Com o afastamento dosportadores majoritários,aumenta não só a extensãoda região de cargasdescobertas, como tambémo valor da barreira depotencial através da junção.

Com o aumento dabarreira de potencial, torna-se mais difícil o fluxo,através da junção, deelétrons injetados pelafonte no lado p e de lacunasno lado n. Como resultado,a corrente através do diodotende praticamente a umvalor nulo.

Quando o diodo está sob polarização inversa, impedindo o

fluxo de corrente através de seus terminais, diz-se que o diodo está

em bloqueio ou na condição de corte.

Características Elétricas

É sempre conveniente modelar um determinadocomponente eletrônico através de seu circuitoequivalente. O circuito equivalente é uma ferramentalargamente utilizada em eletrônica para representarum componente com características não comuns, porum circuito consistindo de componentes maissimples, tais como interruptores, resistores,capacitores etc.

No caso do diodo semicondutor, em nível técnico,utilizam-se duas modelagens: o diodo ideal e o diodosemi-ideal.

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Modelo I: Diodo Ideal

Por diodo ideal entende-se um dispositivo queapresenta características ideais de condução e bloqueio.

Um diodo ideal, polarizado diretamente, deveconduzir corrente elétrica sem apresentar resistência,comportando-se como um interruptor fechado. Ointerruptor fechado é, portanto, o circuito equivalentepara o diodo ideal em condução.

Polarizado inversamente, o diodo semicondutor idealdeve comportar-se como um isolante perfeito, impedindocompletamente o fluxo de corrente. O interruptor abertoé, portanto, o circuito equivalente para o diodo ideal nacondição de corte.

Modelo I: Diodo Ideal

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Modelo II: Diodo Semi-Ideal


Com respeito às características de condução do diodosemicondutor, deve-se levar em conta que o diodo entraem condução efetiva apenas a partir do momento em quea tensão da fonte externa atinge um valor ligeiramentesuperior ao valor Vγ da barreira de potencial.

Deve-se também considerar a existência de umaresistência elétrica através da junção quando o diodo estásob polarização direta. Essa resistência existe em qualquersemicondutor, devido a colisões dos portadores com a redecristalina do material. O valor da resistência interna dosdiodos em estado de condução é normalmente inferior a 1[].



Assim, um modelo mais aprimorado para o circuitoequivalente do diodo em condução pode ser obtido pelaassociação série de um resistor RD, representativo daresistência direta de condução, com uma fonte de tensão Vγ

correspondente ao valor da barreira de potencial na junção:

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Em situações em que o diodo é utilizado em série comcomponentes que exibem resistências muito superiores àsua resistência de condução, esta pode ser desprezada e odiodo pode ser considerado como ideal, sem que se incorraem um erro significativo:


Polarização Reversa

Sempre existe uma corrente de fuga, quando o diodo éinversamente polarizado, correspondendo à passagem deportadores minoritários através da junção. Essa corrente defuga é geralmente da ordem de alguns [µA], o que indicaque a resistência da junção inversamente polarizada podechegar a vários [MΩ], podendo ser modelado comoapresentado abaixo:

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Resumindo:

Questionário

• O que é a dopagem de um semicondutor?

• O que são um semicondutores tipo n e tipo p?

• De que forma a temperatura altera a condutividadeelétrica de um semicondutor?

• O que ocorre imediatamente após a formação de umajunção pn?

• Sob que condições um diodo entra em condução ouem bloqueio?

• Qual o valor típico de tensão que deve ser aplicada aum diodo de germânio para que ele conduza? E para odiodo de silício?

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Curva Característica

O comportamento de qualquer componenteeletrônico pode ser expresso através de uma curvacaracterística ou curva VI que representa a relação entretensão e corrente através dos terminais do componente.

Dessa forma, para cada valor da tensão aplicada,pode-se, a partir dos dados da curva característica, obtero valor da corrente que flui no dispositivo e vice-versa. Acurva característica do diodo serve para determinar seucomportamento real qualquer que seja o seu estado depolarização, conforme examinado a seguir.


Região de Condução

Durante a condução, uma corrente Id flui através dodiodo, conforme ilustrado abaixo. A medida que aumenta acorrente injetada Id, a queda de tensão Vd , observadaatravés dos terminais do diodo, aumenta muito pouco emrelação ao valor Vγ, como conseqüência do baixíssimo valorda resistência de condução do diodo.

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Curva Característica - Condução

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

Id (mA)

Vd (V)

Uma representação gráficadessa relação tensãocorrentepara o caso do diodo de silícioé mostrada ao lado.

Nessa representação, acurva característica do diodo éobtida simplesmente pelaunião de todos os pontosrepresentativos dos pares devalores possíveis de corrente Ide tensão Vd, através do diodono regime de condução.

020406080

100120140160180200

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1V

I0

0

P

Id

Vd


A obtenção do valor detensão V0 que corresponde aum dado valor de corrente I0, éfeita traçando-se inicialmenteuma linha horizontal a partirdo ponto sobre o eixo verticalcorrespondente ao valor I0.Essa linha intercepta a curvano ponto P. Traçando-se apartir de P uma linha vertical,obtém-se a interseção com oeixo horizontal no ponto V0

que é o valor desejado daqueda de tensão nos terminaisdo diodo.

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0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

Vd(V)

Id(mA)

6

0,7


Através da curva verifica-se tambémque, enquanto a tensão sobre odiodo não ultrapassa um valor limite,que corresponde ao potencial dabarreira VB, a corrente através dodiodo permanece muito pequena.Essa condição é indicada para umtipo de diodo de silício, onde Id < 6[mA] para Vd < 0,7 [V]. A partir dovalor limite Vγ = 0,7 [V], a correnteatravés do diodo pode aumentarsubstancialmente sem que isso causeum aumento significativo na quedade tensão através do diodo. Verifica-se, portanto, que na faixa de valoresVd > 0,7 [V], o diodo comporta-sepraticamente como um resistor debaixíssima resistência.


Região de Bloqueio

Existe uma corrente de

fuga quando o diodo éinversamente polarizado, queaumenta gradativamente como aumento da tensão inversanos terminais do diodo. Essecomportamento pode serobservado na região detensões e correntes negativasdo gráfico, notando que, paraeste tipo de diodo de silício, acorrente de fuga satura novalor de 1 [µA] negativo.

-0,002

-0,001

0

0,001

0,002

-1 -0,8 -0,6 -0,4 -0,2 0 0,2

Vd (V)

Id (mA)

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-100

-50

0

50

100

150

-1 -0,8 -0,6 -0,4 -0,2 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

I d(mA)

V d(V)

Id(A)

Curva Característica - Bloqueio

Como em polarizaçãodireta a corrente étipicamente mais de1.000 vezes superior aovalor da corrente depolarização inversa, arepresentação das duasregiões de operação emum mesmo gráfico égeralmente feitautilizando-se a escala de[mA] na região detensões positivas, e aescala de [A] na regiãode tensões negativas.

Limites de Operação

Os limites de operação do diodo em cc estabelecem osvalores máximos de tensão e corrente que podem seraplicados ao componente em circuitos de correntecontínua, sem provocar danos a sua estrutura.

Analisando o comportamento do diodo no regime decondução, verifica-se que a corrente de condução é o fatordiretamente influenciado pelo circuito de alimentação dodiodo. A queda de tensão nos terminais do diodo noregime de condução é praticamente independente docircuito, mantendo-se em um valor próximo ao valor dopotencial da barreira do dispositivo, ou seja, 0,7 [V] para osilício e 0,3 [V] para o germânio.

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Limites de Operação

No regime de polarização inversa, a tensão através dodiodo é o parâmetro diretamente influenciado pelo circuitode alimentação. A corrente de fuga não é muitoinfluenciada pelo circuito externo pois depende apenas daspropriedades materiais do diodo.

Dessa forma, os limites de operação do diodo sãodefinidos pela corrente de condução máxima e tensãoinversa, ou reversa, máxima descritas a seguir.

Corrente Direta Máxima - IDM

A corrente máxima de condução de um diodo éfornecida pelo fabricante em um folheto deespecificações técnicas. Nesses folhetos, a correntemáxima de condução aparece designada pela sigla IF, coma abreviação F simbolizando a palavra inglesa forwardque significa para a frente, direto(a) etc. Na tabela abaixosão especificados valores de IF para dois tipos comerciaisde diodos.

TIPO IFSKE 1/12 1,0 A1n4004 1,0 A

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Tensão Reversa Máxima - VBR

Sob polarização inversa, o diodo opera no regime debloqueio. Nessa condição, praticamente toda tensãoexternamente aplicada atua diretamente entre osterminais do diodo:


Cada diodo tem a estrutura preparada para suportarum determinado valor máximo da tensão inversa. Aaplicação de um valor de tensão inversa superior àqueleespecificado pelo fabricante, provoca um aumentosignificativo da corrente de fuga suficiente para danificaro componente.

Os fabricantes de diodos fornecem nos folhetos deespecificação o valor da tensão inversa máxima que odiodo suporta sem sofrer ruptura. Esse valor é designadopor VR. Na tabela a seguir estão listadas as especificaçõesde alguns diodos comerciais com os respectivos valoresdo parâmetro VR.

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TIPO VR

1N4001 50 VBY127 800 VBYX13 50 V

SKE1/12 1.200 V

Bibliografia

Retirado da apostila Série Eletrônica,desenvolvido pelo Sistema SENAI.

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