Diodos

Dispositivos semicondutores: diodos 1

Dispositivos semicondutores: diodos.

Diodo de junção PN.

Os diodos são dispositivos semicondutores confeccionados na maioria das vezespor uma junção PN. A Fig. 1 mostra o esquema de uma junção de dois materiaissemicondutores, um do tipo P e o outro do tipo N. O semicondutor tipo P é o anodo e osemicondutor tipo N é o catodo. O funcionamento do diodo ocorre na região entre oanodo e o catodo, chamada de junção.

P NAnodo Catodo

Junção PN

+ -

Anodo

+Catodo

-

iD

Fig. 1 Diodo de junção PN e símbolo elétrico.

A Fig.2a mostra os portadores majoritários em cada material semicondutor:lacunas no tipo P e elétrons livres no tipo N. A estrutura do diodo é contínua de um ladoa outro da junção.Devido à continuidade da estrutura cristalina do diodo, os portadorespodem se mover através da junção. Após a formação do diodo, alguns elétrons podemmigrar para o anodo nas proximidades da junção. Ao encontrar as lacunas, ocorre arecombinação do par elétron-lacuna e, consequentemente, o aniquilamento dosportadores de carga majoritários na junção. A região formada pela neutralização dascargas é denominada região de depleção por não haver portadores de carga (Fig. 2b). Aregião de depleção não irá crescer muito além da junção por causa do campo elétricoformado. Na verdade, a região de depleção funcionará como um capacitor e o campoelétrico gerado impedirá a migração de novos elétrons livres difundidos do semicondutortipo N para se recombinar com as lacunas do lado P.

Junção

P N

+ +

++

+

++

+

+

+

--

--

-

- -

--

-- -

-

-

Elétrons livresLacunas

JunçãoP N

+ +

++

+

++

+-

-

-

- -

-

- -

-

-

Região de depleção

-

++ -

-

-

(a) (b)

Fig. 2 (a) Portadores de carga majoritários em cada lado da junção, (b) difusão deelétrons recombinando-se com as lacunas do anodo, formando a região de depleção.

Assim, quando um diodo é fabricado, alguns elétrons atravessam a junção epreenchem as lacunas existentes no semicondutor tipo P criando uma barreira depotencial na região próxima à junção. Como na região de depleção não há cargas, é de seesperar que ela funcione como um isolante. Para vencer a barreira de potencial é


necessário aplicar um campo elétrico numa direção apropriada, de tal forma a colapsar aregião de depleção preenchendo-a com portadores de carga. A Fig. 3 ilustra o processode colapso da região de depleção através da aplicação de um campo elétrico com oanodo polarizado positivamente e o catodo polarizado negativamente. O sentidoconvencional da corrente é o sentido das cargas positivas e contrário ao sentido doselétrons livres.

Colapso da região de depleção

P N

+ +

++

+

++

+

+

+-

-

-

-

-

- -

--

- - --

-

+ -

Corrente

Fig. 3 Polarização direta do diodo de junção PN.

Com o colapso da região de depleção, o diodo passa a conduzir corrente. Acondição de operação do diodo mostrada na Fig. 3 é denominada polarização direta(forward bias). Em Eletrônica, a polarização (bias)é uma tensão ou corrente aplicada aum dispositivo para “ligá-lo” . No caso do diodo, a tensão de polarização é aplicada paravencer a barreira de potencial originada pela região de depleção. Se o diodo forpolarizado reversamente, isto é, se for aplicado um potencial com polaridade negativa noanodo e positiva no catodo, a região de depleção se alargará, como mostra a Fig. 4.

P N+ +

++

+

++

+

--

-

--

-

--

-

-

Alargamento daregião de depleção

++

+-

Fig. 4 Efeito da polarização reversa sobre a região de depleção.

Como a região de depleção é isolante, o seu alargamento causará o bloqueio dofluxo de corrente pelo diodo. Na realidade, uma ínfima corrente flui devido aosportadores minoritários. O semicondutor tipo P possui alguns elétrons minoritários queserão empurrados para a junção por causa da repulsão causada pelo terminal negativo dafonte de tensão. O semicondutor tipo N, por sua vez, também possui algumas lacunasminoritárias, que serão empurradas para a junção. Dessa forma, uma corrente de fuga seestabelece quando o diodo está polarizado reversamente.


Curvas características de diodos de junção PN.

Os diodos conduzem numa direção mas não na outra. Esta é a característica maisimportante do diodo e que a torna importante em Eletrônica. A curva corrente-tensão oucurva I-V é a curva característica de um dispositivo eletrônico, seja ele um resistor, umcapacitor ou um diodo. Enquanto a curva I-V de um resistor que obedece a lei de Ohm(resistor ôhmico) é uma reta, a curva característica de um diodo apresenta uma formanão-linear, como a mostrada na Fig. 5.

Quando uma tensão positiva é aplicada entre o anodo e o catodo, uma corrente iDflui através do diodo, desde que essa tensão seja superior a um valor VD determinadopelo tipo e pelo material utili zado na fabricação do diodo. Para um diodo de silício, essevalor de tensão é cerca de 0,6 V, enquanto que um diodo de germânio, a tensão depolarização é cerca de 0,3 V (Fig. 5). À medida que a corrente iD aumenta, a tensão VD

também aumenta, porém, a maior queda de tensão no diodo é devido à sua polarização.Se uma tensão reversa negativa VR é aplicada sobre o diodo (do anodo para o

catodo), o dispositivo exibe uma grande resistência à passagem de corrente e estacorrente denomina-se corrente de fuga reversa (iR). Se a intensidade da tensão reversaexceder um valor crítico, ocorre uma avalanche de corrente quando os portadoresminoritários adquirem energia suficiente para colidir com os elétrons de valência e levá-los para a banda de energia de condução. Este processo causa uma avalanche deportadores de carga e a corrente aumenta rapidamente. A tensão em que ocorre aavalanche de corrente é denominada tensão de ruptura reversa (VBR) e para o diodo desilício está compreendido entre 50 e 1000 V, dependendo do processo de fabricação dodiodo.

Fig. 5 Curvas características I-V para diodos de germânio e silício

A temperatura afeta as características operacionais do diodo, como mostra aFig.6, por causa da influência da ativação térmica sobre a junção e na criação de


portadores majoritários. Normalmente, quanto maior a temperatura, maior será acondutividade elétrica e menor será a tensão de polarização do diodo. Este fato concordacom as características de coeficiente negativo da temperatura (NTC) para os materiaissemicondutores.

Fig. 6 Curvas características I-V para o diodo de silício mostrando a influência datemperatura.

Quando o diodo está conduzindo no sentido direto, isto é, do anodo para ocatodo, e a corrente reverte abruptamente, ele se “esquece” de bloquear esta correntereversa durante um curto intervalo de tempo, chamado tempo de recuperação reversa trr.Durante este tempo, uma grande corrente é conduzida pelo diodo e esta correntedenomina-se corrente de recuperação reversa irr.

Processo de fabr icação de diodos.

Os diodos atualmente são fabricados utili zando-se técnicas desenvolvidas para afabricação de dispositivos semicondutores, como os transistores e circuitos integrados. AFig. 7 mostra o fluxograma de fabricação de diodo empregando tecnologia planar.Empregam-se etapas de deposição de polímeros, reação química no estado gasoso e noestado sólido, utili zando-se fornos de crescimento de cristal e de reação química porvapor (CVD). Alguns desses equipamentos estão ilustrados nas Figuras 8, 9 e 10.

O aspecto real de um diodo está apresentado na Fig. 11, onde se observa aestrutura de camadas crescidas, depositadas e difundidas, para a fabricação da junção PNe das conexões elétricas externas.


N+

N

N+

N

N+

N

N P

N+

N+

Substrato(Si monocristalino dopado)

N+

N

Camada epitaxial

Deposição

OxidaçãoSiO

2

Fotoli tografia

Luz ultravioleta

Máscara

Resina fotoresistiva

Ataque químicodo isolante

Dopagem

Impurezas tipo PContatos metálicos

Metalização

isolante

Fig. 7 Processo de fabricação de diodo de junção PN com tecnologia planar(Rezende, 1996).

Fig. 8 Esquema de deposição de vapor e crescimento epitaxial.


Fig. 9 Forno de crescimento epitaxial.

Fig. 10 Forno para deposição e difusão de dopante em cristal semicondutor.

Metal

Tipo P (anodo)Tipo N (catodo)

Isolante (SiO )2

Metal

Fig. 11 Esquema de um diodo de junção PN real.


Diodo Schottky

A Fig. 12 mostra um diodo Schottky. A sua aparência é bastante semelhante à dodiodo de junção PN, mas, ao invés de ter uma camada P implantada, ele possui umabarreira metálica denominada barreira Schottky, formando uma junção metal-semicondutor. As guardas constituem-se em anéis metálicos, cuja função é tornar ascaracterísticas de ruptura reversa do dispositivo mais robustas. Tanto o metal quanto osemicondutor são materiais do tipo N, de modo que a condução de carga ocorre apenasatravés de portadores majoritários, sem haver injeção, armazenamento ou recombinaçãode portadores minoritários. Isto explica a ausência de recuperação reversa do diodoSchottky, tornando-o ideal para aplicações em altas freqüências, tais como circuitosdetectores de alta freqüência ou em circuitos de chaveamento rápido. As característicasda curva I-V são semelhantes às do diodo PN.

Substrato tipo N+

Camada epitaxial tipo N-

Isolante (SiO )2

Metal

Guarda

Metal

Barreira Schottky

Fig. 12 Estrutura do diodo Schottky.

O que diferencia as características de condução dos diodos comuns em relaçãoaos diodos Schottky é a tecnologia de fabricação e o material usado. Desse modo, paraobter uma barreira de condução baixa existem diversas tecnologias que são empregadas,determinando outras características do componente. Enquanto os diodos PN apresentamuma característica de operação de alta temperatura, baixas fugas e uma queda de tensãono sentido direto relativamente alta, os diodos Schottky são projetados para operar emtemperaturas mais baixas (< 125oC) apresentando correntes de fugas mais elevadas euma queda de tensão no sentido direto menor.

Nos diodos Schottky de barreira alta o metal usado na barreira é o “nicromo”(Ni-Cr), enquanto que no de barreira baixa o material é o nicromo-platina. O tipo degeometria usada na estrutura do diodo é que vai determinar as características elétricasbásicas do componente. A baixa tensão direta, da ordem de microvolts, e o baixíssimotempo de recuperação da ordem de picossegundos, devem-se ao metal usado no pontoem que se tem a barreira de potencial. Na Fig. 13 é mostrada a curva característica I-Vpara este componente, observando-se a tensão muito baixa em que ele começa aconduzir quando polarizado no sentido direto.

A barreira metálica também é responsável pela baixa tensão de polarização diretado diodo Schottky. A sua desvantagem é a corrente de fuga, muito superior ao do diodode junção PN. Em algumas aplicações, esta corrente de fuga pode levar ao dispositivo aexceder sua temperatura de junção. À medida que a temperatura da junção aumenta, atensão de polarização direta cai, enquanto que a corrente de fuga aumenta.


Fig. 13 Curva característica I-V do diodo Schottky.

A Fig. 14 mostra o gráfico comparativo entre o tempo de recuperação reversapara o diodo PN e o diodo Schottky.

(a) (b)

Fig. 14 (a) Recuperação reversa de um diodo PN comum e (b) recuperação reversa deum diodo Schottky.

Diodo Zener

Um diodo Zener é um tipo especial de diodo que opera na região de tensãoreversa de ruptura. O efeito avalanche foi observado por Clarence Zener, que propôs asua utili zação como elemento de regulação de tensão. A Fig. 15 mostra o símbolo dodiodo zener.

Fig. 15 Símbolo do diodo zener.


No circuito da Fig. 16, o diodo zener 1N4743 é utili zado como regulador detensão. Observe que, para tensões reversas maiores do que a tensão de ruptura zener(VZ), um pequeno incremento na tensão causa uma grande variação na corrente reversano zener. Suponha que a fonte de tensão V in não seja uma fonte regulada, que forneçauma tensão de 21 V. Esta fonte está conectada a uma carga de resistência RL , para aqual desejamos aplicar uma tensão fixa de +15 V. Observe que o diodo zener escolhidotem tensão zener VZ = 15 V. O resistor R é colocado para limitar a corrente e o seu valorpode ser calculado para limitar a corrente em 20% da corrente máxima do zener(IZ max = 61 mA). Supondo que a corrente para alimentar a carga seja de 150 mA, entãopodemos calcular R à partir de:

Ω=+

−=+

−= −− 3710.61.2,010.150

1521

I2,0i

VVR

33maxZL

Zin

R

+

-V = 21 Vin

i L

RVZ

Diodo zener 1N4743VZ = 15 V, 1 WZZ = 17 Ω a IZ = 17 mAIZ (máx) = 61 mA

Fig. 16 Circuito regulador de tensão com diodo zener.

Assim, o diodo zener 1N4743 limita a tensão entre os seus terminais em 15 V. Adiferença para a tensão de alimentação de 21 V é dissipada sobre o resistor de 37 Ω,limitando a corrente no diodo zener em 12,2 mA (que corresponde a 20% de IZ máx).

Se for necessário limitar uma tensão maior, pode-se colocar vários diodos zenerem série, de forma que a tensão de regulação é a soma das tensões zener de cada um dosdiodos.

Diodo Var icap

O diodo varicap é um tipo especial de diodo obtido através do controle dascondições de fabricação da junção PN. Neste caso, a concentração de dopante na junçãoé gradual, isto é, a concentração de dopante aumenta de um lado da junção em relaçãoao outro, de modo que a capacitância da junção varia com a intensidade da tensãoreversa. Todos os diodos de junção PN exibem esta característica, porém, no caso dovaricap, este comportamento é mais pronunciado, como mostra a Fig. 17. Assim, umvaricap é um capacitor controlado por tensão (VCC) e é utili zado em circuitos desintonia de rádio-freqüência no lugar de capacitores variáveis de ar tipo borboleta.


0,1 1 10 1001

10

100

Diodo varicap

Diodo normal

Cap

aci

tânc

ia d

o d

iodo

(pF

)

Tensão reversa, VR (V)

Fig. 17 Curvas de capacitância para um diodo normal e um diodo varicap.

Diodo Túnel

O diodo túnel é feito com uma concentração de impurezas acima do normal.Como resultado, a curva característica I-V é diferente daquela apresentada pelo diodo dejunção PN de silício, como mostra a Fig. 18.

Fig. 18 Curvas I-V para um diodo normal e um diodo túnel.


O comportamento do diodo túnel é caracterizado pela presença de um pico (Ip eVp) e de um vale (Iv e Vv) na curva I-V. A região entre Vp e Vv é chamada de região deresistência negativa porque a corrente diminui com o aumento da tensão. Na regiãoalém do vale, o diodo túnel comporta-se como um diodo normal. Se colocarmos o diodopara operar no ponto do meio do vale da curva I-V, ele funcionará como um osciladorde alta freqüência. O nome diodo túnel foi dado porque o fenômeno quântico detunelamento de elétrons através da barreira da junção foi usado para explicar o seufuncionamento.

A Fig. 19 mostra os símbolos eletrônicos de alguns diodos especiais, como odiodo Schottky, diodo varicap e diodo túnel.

Diodo Schottky Diodo Varicap Diodo Túnel

+-

Fig. 19 Símbolos para alguns diodos especiais.

Tipos e especificação de diodos comerciais

A Tabela 1 apresenta os principais tipos e especificações de diodos paraaplicações eletrônicas. De maneira simples, os diodos para aplicações eletrônicas sãodivididos em três tipos básicos:

• 1N4148 (diodos de pequeno sinal)• Família 1N5400 (diodos retificadores)• Família BZX61 (diodos Zener)

TABELA 1 Tipos e aplicações de diodos.TIPO USO CORRENTE VR máx. (V)

1N914 detector/alta velocidade 75 mA 751N4148 detector/alta velocidade 200 mA 75BB119 varicap usado em CAF ------ ------BB809 varicap usado em VHF ------ ------1N4001 retificador 1 A 501N4002 retificador 1 A 1001N4003 retificador 1 A 2001N4004 retificador 1 A 4001N4005 retificador 1 A 6001N4006 retificador 1 A 8001N4007 retificador 1 A 1000


Diodo emissor de luz (LED)

A emissão de luz num dispositivo semicondutor ocorre por um processo diferentedaquele que ocorre em lâmpadas incandescentes. Enqunato nesta, o processo de emissãode luz ocorre por aquecimento de um filamento, no semicondutor a emissão se baseia emprocessos quânticos de radiação denominado luminescência. A luminescência é aemissão de fótons que ocorre quando um átomo passa de um nível energético excitadopara outro de menor energia. A excitação pode-se dar por absorção de luz(foto-luminescência), bombardeamento com feixe de elétrons (catodo-luminescência) epela aplicação de campo ou corrente elétrica (eletro-luminescência). Afoto-luminescência é o princípio de funcionamento dos lasers de estado sólido; acatodo-luminescência é a base de operação dos cinescópios de aparelhos de TV e aeletro-luminescência acontece nos diodos emissores de luz (LED – light emitting diode).

O funcionamento do LED é baseado na eletro-luminescência causada pela injeçãode portadores numa junção PN. Quando a junção PN é diretamente polarizada, aslacunas do semicondutor tipo P e os elétrons livres do semicondutor tipo N movem-seem sentidos opostos em relação à camada de depleção. As lacunas injetadas no lado Nrecombinam-se com os elétrons livres que chegam da camada de depleção, enquanto queos elétrons livres injetados no lado P recombinam-se com as lacunas vindas da camadade depleção. Assim, todos os portadores recombinam-se nas imediações da camada dedepleção. Se o semicondutor tiver um gap de energia direto, a recombinação de cada parelétron-lacuna resulta na emissão de um fóton. Por não haver dissipação de energia, oprocesso de emissão de luz num diodo é extremamente eficiente.

Os materiais utili zados na fabricação de LEDs são as ligas ternárias GaxAl1-xAs eGaAs1-xPx, além da liga GaAs.

Os LEDs que operam no visível são muito utili zados para a confecção de painéisindicadores de equipamentos elétricos e eletrônicos e na fabricação de displays digitaisconstituídos de segmentos.

(a) (b)

Fig. 20 - (a) Fotodiodo e (b) diodo PIN (fotosensor de raios x)

Diodo laser

A radiação produzida por uma lâmpada incandescente ou por um LED écomposta por fótons emitidos espontaneamente por átomos ou moléculas independentes.No processo de emissão espontânea, um sistema quântico passa de um nível energético


para outro de menor energia devido a flutuações aleatórias. Conseqüentemente, a fase docampo resultante varia aleatoriamente no tempo e espaço, fazendo com que a radiaçãoseja incoerente. Num laser, a radiação é produzida por amplificação estimulada da luz.Ela resulta das emissões de átomos e moléculas estimuladas por um campoeletromagnético. Neste processo, as fases dos campos dos fótons emitidos estãocorrelacionados e, em conseqüência, a radiação é coerente. Além disso, a radiaçãotambém é altamente monocromática, isto é, o seu espectro de freqüência é bastanteestreito.

Estrutura do diodo laser (Halli day, 1993)

Diodo laser (Halli day, 1993).

Diodos de potência

Os diodos de potência apresentam além das duas camadas P e N, uma terceiracamada (Fig. 21a). A camada N extra e intermediaria às duas convencionais é de baixadopagem (N-) e sua função é aumentar a capacidade do componente quando aplicadoem tensões elevadas. Essa camada acrescenta uma parcela resistiva ao diodo quando em


condução. Além disso, a área da seção transversal das junções é maior do que a de umdiodo normal, pois a corrente circulante também é maior e isso agrega urna parcelacapacitiva ao diodo quando em bloqueio (Fig. 21b). Essas características são indesejáveisporque introduzem distorções na forma de onda da comutação de um diodo de potência,conforme mostra a Fig. 7. Entretanto, como o dispositivo é suficientemente robusto,essas características não deverão afetar o seu funcionamento. Mesmo assim, érecomendável utili zar-se algumas técnicas de filtragem e amortecimento dos transientesprovocados pela comutação dos diodos de potência.

(a) (b)

Fig. 21(a) Estrutura de um diodo de potência, (b) circuito equivalente de um diodo real.

A resistência e a capacitância parasitas formadas em um diodo de potênciapodem gerar sobretensões no circuito, principalmente quando são chaveadas cargasindutivas. Os novos diodos, denominados “soft-recovery” , minimizam esses efeitos,sendo que sua resposta é da ordem de alguns µs. Apenas como comparação, os diodosmais antigos apresentavam dezenas e até centenas de µs de atraso na comutação.

Fig. 19 Formas de onda na comutação do diodo.


Modelos comerciais de diodos de potência (Aegis)

Recuperação Normal ! " # $ # % % & ' ( ) * * +, - . - / 0 1 2 3 4 5 6 7 8 0 9 -: ; < = > = ? @ A B =C D E F G H I J K L F G M N O PQ R Q S T U V W V U T X T Y Z [ Q R \ S ] T ^ V W V U TX T Y Z

_ ` a b a c d e f ` g ` h i b a d e c b e j c a k e d i lm e c g d ` i n e o f a p a d n e ` a b e p l i h i n e f q l ` h ia j b ` c c ` p i b a d i l e f i b ar s s t u v w x y t z w w | | w z w w ~ w v t su t s

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Recuperação rápida¶ · ¸ ¹ º » ¼ · ¶ ¸ ½ ¾ º ¿ À Á ¹ · Â Ã ¸ ¾ º ¿ ·Ä Å Æ Ç Æ È É Å Ê Æ Ë Æ È Ì ÍÎ Ï Ð Ñ Ò Ó Ô Ï Õ Ï Ô Ñ Ö Ö × Ø Ù Ú Ú Ú ÛÜ Ö Ý Ö Õ Þ ß Ô Ó à Ï × á â Þ ã Öä Ö Ñ Ï ß Ï ã Ó å Ô Ïæ Ó Ñ ã Ö à Ø × Ô Þ ã Ö Ï ç è éê ë Ü ì Ö Ð Ó ß Ó Ð Ö å Ö Ñ Ï í ê ë î ì ã Ö × Ó ß Ó Ð Öå Ö Ñ Ï

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Diodo Schottky ! " # $ % & ' ( ) $ % ÿ * +

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Press Fiti j k l m n o j i k p q m r s t l j n u k q m r jv W \ U h [ X W ` W X U R R ] w x y z z | ~ ~ ~ ~

~ ~ ~ ~ ~


Fig. 23 Diodo retificador de potência tipo rosca

Fig.24 Diodo retificador de potência tipo disco


Fig.25 Diodo retificador de potência tipo press fit

Fig. 26 Pontes retificadoras compactas

Fig. 27 Pontes retificadoras montadas com dissipadores


Fig. 28 Módulo de diodos de potência

Referências bibliográficas

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