CAPÍTULO 2 DIODO SEMICONDUTO 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 tensão 1 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 convencional 2. 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 conduz 3 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 (lacunas 4 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) I (ma) 0 0 0,5 0,001 1 0,33 2 1,30 3 2,28 4 3,25 5 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 VD = ε, (2.1) onde ε é a fem (da fonte de tensão), V D é a tensão de limiar do diodo e 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 eversa: ε(volts) I(mA) 0 0 0,5 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 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 (SCs) 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. EXECÍCIOS POPOSTOS 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 1 2 3 = azul, preto, vermelho = 50% = 1 3 2 1 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 2 não é conhecido. Considerando a tensão de limiar do diodo semicondutor de silício tipicamente de 0,7V, determine: 1 3 = marrom, preto, laranja = verde, preto, marrom Observação: Despreze as tolerâncias das resistências para os cálculos dessa questão. a) O valor do resistor 2. b) O valor da fem do circuito. Dica: lembre do teorema de Thevenin e aplique-o para o diodo. ESPOSTAS DOS EXECÍCIOS POPOSTOS 1. 8,3mA. 2. 12V. 3. 1,1mA. 4. a) 2,5kΩ; b) 48,5V. 6