AULA 1 - JUNÇÃO PN (DIODO)

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1 AULA 1 - JUNÇÃO PN (DIODO) 1. INTRODUÇÃO Os diodos semicondutores são utilizados em quase todos os equipamentos eletrônicos encontrados em residências, escritórios e indústrias. Um dos principais usos dos diodos é a transformação de uma tensão alternada (CA) em tensão contínua (CC). A geração e transmissão de energia elétrica é economicamente viável, na maioria dos casos, quando feita em corrente alternada. Os circuitos eletrônicos funcionam, na grande maioria, em corrente contínua. Os equipamentos eletrônicos para funcionarem, alimentados com energia elétrica da rede pública, necessitam do circuito para transformar a tensão alternada (CA) em tensão contínua (CC). Os semicondutores são substâncias cuja condutividade elétrica está num valor intermediário entre a dos metais (ouro, prata, cobre etc.) e os isolantes (vidro, mica, borracha etc. Em comparação com os metais, as propriedades elétricas dos semicondutores são bem diferentes. Assim, enquanto a resistência de um fio de metal condutor aumenta com a temperatura, a resistência de um fio de material semicondutor diminui com a temperatura. figura 1 0

2 2- DOPAGEM A presença de certas impurezas num material semicondutor pode alterar enormemente suas propriedades elétricas, e graças a isso é que podemos criar dispositivos eletrônicos muito interessantes. Tal processo é denominado de DOPAGEM. Nos materiais elétricos, os principais elétrons são os mais afastados do núcleo do átomo, estes elétrons são os da camada de valência. O silício, que é o material semicondutor mais empregado, possui 4 elétrons na camada de valência. figura 2 A tabela periódica indica a quantidade de átomos na camada de valência dos materiais: 3A 4A 5A 6A 5 B (boro) 10,8 13 Al (alumínio) 27,0 31 Ga (gálio) 69,7 49 In (índio) Tl (tálio) C (carbono) 12,0 14 Si (silício) 28,1 32 Ge (germânio) 72,6 50 Sn (estanho) Pb (chumbo) N (nitrogênio) 14,0 15 P (fósforo) 31,0 33 As (arsênio) 74,9 51 Sb (antimônio) Bi (bismuto) 209 número atômico SÍMBOLO (nome) 8 O (oxigênio) S (enxofre) 32,1 34 Se (selênio) Te (telúrio) Po (polônio) 210 massa atômica figura 3 1

3 Com a dopagem obtêm-se um material que recebe a denominação de cristal extrínseco, que podem ser: a) material tipo P - é produzido por dopagem com um outro material, denominada de impureza, contendo um elétron de valência a menos que o silício. Os portadores de carga em materiais tipo P são apresentados como cargas positivas, chamadas de LACUNAS. figura 3 b) material tipo N - é introduzido no cristal de silício uma impureza contendo um elétron a mais que o silício. As impurezas acrescentam elétrons extras, chamados PORTADORES DE CARGA. figura 4 2

4 3- JUNÇÃO PN (DIODO) O diodo se compõe de duas partes separadas por uma JUNÇÃO, também chamada BARREIRA: Na junção entre os materiais tipo P e tipo N, ocorre uma barreira, que é o resultado da migração de cargas através da junção e da recombinação. As cargas que atravessam a junção ou se combinam com cargas opostas originam íons que formam a barreira, cujo valor é de aproximadamente 0,6 volt, no caso do silício. Quando um elétron sai da região n, a sua saída dá origem a um átomo carregado positivamente (íon positivo), isto é, com elétron a menos. O elétron que penetra na região p, ocupa uma lacuna mais próxima, originando um átomo carregado negativamente (íon negativo), isto é, um átomo com elétrons a mais. A região vizinha à barreira é chamada de região de depleção, devido à ausência de cargas. O diodo é representado pelo símbolo: Apresentam-se sob várias formas, tais como: 3

5 4. POLARIZAÇÃO DIRETA Na polarização direta existe uma grande corrente atravessando o diodo. Isto ocorre porque o pólo positivo da fonte repele os elétrons da região n em direção à junção. Existe, então, uma diminuição da barreira de potencial, aproximando os elétrons das lacunas. Os elétrons encontram grande facilidade para atravessar a junção para recombinar com as lacunas. A 25ºC esta barreira de potencial é aproximadamente igual a 0,6V para diodos de silício. 5. POLARIZAÇÃO INVERSA Ligando o pólo positivo da fonte de tensão à região n do diodo e o pólo negativo à região p, os elétrons se afastam da junção, aumentando a camada de depleção. Quanto maior a tensão reversa (Vr), maior será a camada de depleção. A camada de depleção aumenta até que a barreira de potencial se iguale à tensão reversa. 4

6 5. CURVA CARACTERÍSTICA O diodo apresenta como principal característica a variação do seu comportamento, dependendo da polaridade da tensão aplicada: A - ânodo K - cátodo VD - tensão direta ID - corrente direta VR - tensão reversa IR - corrente reversa 5

7 Analisando a curva característica, podemos observar: a) quando a tensão é positiva, dizemos que o diodo está diretamente polarizado. A corrente é de grande intensidade e a tensão é de pequeno valor (VD = 0,7V); b) quando a tensão é negativa e pequena, dizemos que o diodo está inversamente polarizado. A corrente é praticamente nula; 6

8 c) quando a tensão aplicada ao diodo é negativa e de grande amplitude, a corrente no diodo é de grande intensidade e a tensão (VZ) é praticamente constante. Um determinado tipo de diodo é projetado para operar nesta situação, é o chamado diodo Zener. 6. TIPOS DE DIODOS Dependendo do processo de fabricação e região de trabalho na curva característica, temos os seguintes diodos: a) diodo de sinal - utilizados em circuitos eletrônicos de baixa potência, onde a tensão é inferior a 50V e a corrente é inferior a 200mA; b) diodo retificador - é utilizado, normalmente, em circuitos de média/alta potência como os circuitos retificadores, que convertem tensão alternada em tensão contínua; c) diodo zener - é utilizado em circuitos reguladores de tensão, que tem a função de manter constante a tensão de saída de uma fonte de tensão. 7

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