Díodos Há um conjunto de dispositivos electrónicos que são designados por díodos. Estes dispositivos têm 3 características fundamentais comuns: Têm dois terminais (tal como uma resistência). A corrente que passa depende da tensão aos seus terminais. Não obedecem à lei de Ohm! Para entender o funcionamento de um díodo vamos ver as características de um tipo de material designado por semicondutor. No entanto, ainda antes disso, relembremos o que distingue um condutor de um isolador. No condutor os electrões de valência estão fracamente ligados ao átomo são normalmente átomos grandes com apenas um electrão na camada de valência. Este electrão por um lado está muito longe do núcleo e por outro lado vê o núcleo escudado pelos outros electrões mais internos. O efeito atractivo do núcelo relativamente a este electrão está muito diminuído, portanto. Se considerarmos uma barra de um metal qualquer ela é constituída por um número muito elevado de átomos em que os electrões, por serem fracamente ligados ao núcleo, têm grande facilidade de se deslocarem pelo que rapidamente reagem a uma diferença de potencial aplicada aos terminais da barra. Os isoladores são materiais em que os electrões da camada de valência estão rigidamente ligados aos átomos. As estruturas que estes átomos formam são estruturas em que os electrões se mantêm fortemente localizados e ligados aos átomos. Há um terceiro tipo de material cujo comportamento está entre os dois: é o semicondutor. Os semicondutores mais comuns são o germânio e o silício. O seu comportamento é atribuível à ligação química que formam em na estrutura que é uma ligação covalente em que cada átomo se liga a 4 átomos vizinhos. Neste tipo de ligações há partilha de electrões entre os átomos. Os electrões das camadas internas mantêm-se ligados a cada núcleo a que pertencem. Embora o tipo de estrutura seja igual à do diamante (isolador) a dimensão (distância interatómica) é, neste caso, diferente. Um cristal de silício, por exemplo, é diferente de um isolador porque a qualquer temperatura acima do zero absoluto há uma probabilidade finita de que um electrão da rede cristalina se liberte da sua posição fixa na rede deixando o que se designa por lacuna, ou seja um déficit de electrão. A lacuna, na medida em que pode ser preenchida por um electrão de um átomo vizinho, também pode contribuir para a corrente (contribui para o movimento de cargas, ou seja para a corrente).
Portanto, tanto electrões como lacunas contribuem para a corrente num semicondutor. No zero absoluto de temperatura estes materiais são isoladores e à temperatura ambiente a condutividade é baixa quando comparada com a dos condutores. Aumentando a temperatura a condutividade aumenta. Outra hipótese para aumentar a condutividade é introduzir impurezas na estrutura do material semicondutor fazendo o que se designa por semicondutor dopado. Estas impurezas, se forem inseridas de modo uniforme por todo o material e em quantidade controlada, vão modificar significativamente as características de condutividade do material. Por exemplo se inserirmos uma impureza com 5 electrões valência sobra um electrão dos quatro que são partilhados com o Si. Esse electrão fica livre pelo material podendo servir de transportador de carga. O semicondutor assim dopado designa-se por semicondutor de tipo n (negativa) e os átomos inseridos são dadores (de electrões). É claro que o material se mantém electricamente neutro visto que o número de electrões é igual ao número de protões no núcleo dos átomos de impureza, mas há excesso de electrões Se em vez de um átomo com 5 electrões valência usarmos átomos com 3 electrões valência haverá um lugar vago nas ligações covalente uma lacuna na estrutura. Esse material semicondutor dopado com uma impureza com 3 electrões valência (ao invés de 5) designa-se por material do tipo p e os transportadores de carga são as lacunas, ou seja as lacunas vão sendo preenchidas por electrões que assim geram uma corrente de sentido contrário à gerada no caso anterior. Embora o movimento seja realmente do
electrão pode considerar-se que a lacuna se moveu em sentido contrário ao do electrão. Estas impurezas designam-se por aceitadores. O material continua, obviamente e pela mesma razão descrita anteriormente, a ser electricamente neutro. Semi condutores de tipo-n e de tipo-p A resistividade dos semicondutores Todos os materiais, isoladores ou condutores têm uma resistividade, i.e. uma resistência à passagem da corrente. A resistividade é, portanto, complementar da condutividade: quanto maior a resistividade, menor a condutividade. A unidade de resistividade de um material é o ohm-m ou ohm-cm. Abaixo está uma tabela dos níveis de resistividade de alguns materiais. Teoria de bandas nos sólidos
Um modo de visualizar e explicar a diferença entre condutores, isoladores e semicondutores é examinar os níveis de energias disponíveis para os electrões nos materiais. Em vez de ter níveis discretos de energia (como nos átomos livres) supõe-se que os estados disponíveis de energia nos materiais formam bandas. Há duas bandas: a banda valência e a banda de condução, separadas por uma gap de energia cuja amplitude varia com a natureza do material. Para o processo de condução é fundamental saber em que banda estão os electrões. Nos isoladores os electrões estão na banda de valência e esta está separada da banda de condução por uma gap grande de energia. Nos condutores as duas bandas estão sobrepostas. Nos semicondutores a gap de energia é suficientemente pequena de tal modo que a própria agitação térmica permita aos electrões saltar de uma banda para a outra. Com esta gap pequena uma pequeníssima percentagem de material dopante pode aumentar drasticamente a condutividade do material. Um parâmetro importante para a teoria de bandas é o nível de Fermi, que estabelece o limite superior das energias disponíveis para os electrões a baixas temperaturas. A posição do nível de Fermi relativamente à banda de condução é o factor que determina as propriedades eléctricas de um material. Tanto o Ge como o Si, à temperatura ambiente, são fracos condutores, como já foi dito. No entanto, um cristal de Si é diferente de um isolador porque a qualquer temperatura acima do zero absoluto há uma probabilidade finita de um electrão da rede ser libertado da ligação em que participa e deixe, em seu lugar, uma lacuna. Há duas formas de aumentar a condutividade destes materiais: aumentando a temperatura. Deste modo os electrões partilhados ficam mais libertos, podendo mesmo passar a electrões livres. Bandas de energia nos semicondutores Para os semicondutores intrínsecos (não dopados), o nível de Fermi fica a meio caminho entre as bandas valência e de condução. Embora a 0 K não haja condução, a temperaturas superiores há um número finito (>0) de electrões que consegue atingir a banda de condução. Nos semicondutores dopados aparecem níveis suplementares de energia.
Bandas para semicondutores dopados A aplicação da teoria de bandas em semicondutores de tipo n e de tipo p mostra que as impurezas trazem níveis adicionais de energia. Nos materiais de tipo n há níveis de energia para os electrões perto do topo da gap de modo que os electrões podem facilmente passar para a banda de condução. Nos materiais de tipo p as lacunas extra na gap permitem a excitação de electrões para essas lacunas, deixando lacunas móveis na banda valência. Utilizações do semicondutor O semicondutor é um material fundamental na indústria electrónica. Os dispositivos com semicondutor são hoje utilizados em todo tipo de circuitos. Os dispositivos semicondutores mais comuns são o díodo, o transistor e os dispositivos fotossensíveis.
Diodo semicondutor É formado pela junção de material de tipo p e material de tipo n e tem como função básica permitir o fluxo de corrente eléctrica apenas num sentido. Transistor É formado pela inserção de um semicondutor tipo p entre dois semicondutores tipo n ou vice-versa. O material do meio é chamado base e os outros, emissor e colector. O transístor funciona basicamente como um amplificador de corrente se esta for alta (ligeiramente alta) ou como um interruptor de corrente se esta for próxima de zero. Dispositivos fotossensíveis Se dividem em Células fotocondutivas: fotoresistores, fotodiodos e fototransistores; e Células fotovoltaicas. As células foto condutivas funcionam da seguinte forma: Quando um fluxo luminoso incide sobre o material semicondutor, os fotões fornecem energia suficiente aos electrões para produzir a ruptura de ligações covalentes. Este processo gera a produção de pares electrão-lacuna, que provoca um aumento da condutividade do semicondutor. Esse fenómeno é conhecido como foto condutividade. Quanto às células foto voltaicas, conforme o nome indica, produzem uma tensão eléctrica quando submetidas à acção de um fluxo luminoso. Junção p-n Uma das utilizações mais comum dos semicondutores é a junção p-n. Quando materiais de tipo n e de tipo p são colocados em contacto a junção dos dois materiais comporta-se de modo diferente de cada um dos materiais em separado. Concretamente a corrente fluirá prontamente num sentido (polarização directa) mas não em sentido contrário (polarização inversa), criando um díodo. A não
reversibilidade do comportamento vem da natureza do processo de transporte de carga nos dois tipos de material. Na figura os círculos abertos representam as lacunas (provenientes do dopante de tipo p) que funcionam como transportadores de carga positiva. Os círculos fechados representam os electrões disponibilizados pelo dopante de tipo n. Perto da junção os electrões difundem-se e combinam-se com as lacunas, criando o que se designa por zona de depleção. O diagrama de energias da direita pretende indicar a condição de equilíbrio da junção p-n. Zona de depleção Quando os matérias de tipo n e de tipo p são postos em contacto, na junção p-n, alguns dos electrões livres da região n difundem-se através da junção e combinamse com as lacunas, formando iões negativos. Ao fazerem isto deixam iões positivos do outro lado (do lado da impureza dadora). A figura mostra os dois materiais antes e depois de postos em contacto. Analisemos os detalhes No lado do semiconductor de tipo p há lacunas devidas às impurezas aceitadoras (bolas brancas). No lado do semicondutor de tipo n há electrões extra (bolas pretas).
Quando os materiais são postos em contacto alguns dos electrões da região n difundem-se para o lado tipo p e combinam-se com as lacunas aí existentes O preenchimento da lacuna dá origem a um ião negativo e para trás (do lado tipo n) fica um ião positivo. Cria-se assim uma zona de carga espacial, que se designa por zona de depleção, que acabará por impedir a transferência de mais electrões a não ser que sejam criadas condições especiais para isso (ddp). Efeito da polarização nos electrões na zona de depleção Equilíbrio da junção A repulsão electrostática dos iões suspende a migração através da junção. Os electrões que atravessaram de um lado para o outro atingem o equilíbrio. Não pode haver mais transferências pela acção simultânea da repulsão devido aos iões negativos que se formaram na região p e da atracção dos iões positivos do lado n. Polarização inversa Uma tensão externa com a polaridade indicada na figura impede o fluxo de electrões através da junção. Para que haja condução os electrões do lado n devem deslocar-se para a junção e combinar-se com as lacunas do lado p. A polarização inversa afasta os electrões da junção, impedindo a condução.
Polarização directa. Uma tensão externa com o sentido indicado (directa) permite que os electrões vençam a barreira de Coulomb criada pela carga espacial na zona de depleção. Os electrões poderão então deslocar-se facilmente. Junção p-n polarizada directamente Polarizando directamente uma junção p-n atrairá as lacunas do lado p e os electrões do lado n para a junção. Na junção electrões e lacunas combinam-se mantendo uma corrente contínua Junção p-n polarizada inversamente A aplicação de uma tensão inversa à junção p-n gera uma corrente transitória à medida que tanto electrões como lacunas são afastados da junção. Quando a ddp formada pela zona de depleção (alargada) for igual à tensão aplicada a corrente pára (excepto uma pequena componente térmica).
A junção p-n consiste basicamente na zona de transição, entre uma região de material semicondutor cuja condutividade eléctrica é dominada por portadores de carga tipo-n (electrões) e uma região cuja condutividade é dominada por portadores de carga tipo-p (lacunas). A região de transição, também chamada de zona de depleção, é caracterizada pela existência de um forte campo elétrico E. Este campo é devido à existência de cargas elétricas fixas na rede cristalina, originadas pela depleção de portadores livres que, durante a formação da junção, se difundiram para o lado oposto. No equilíbrio, forma-se uma barreira de potencial, ev B, que impede a difusão continuada de portadores maioritários de um lado para o outro. Diodo de junção p-n A natureza da junção p-n é tal que conduz corrente em sentido directo mas não em sentido inverso. A representação gráfica da corrente em função da tensão aplicada designa-se por curva característica do díodo. É uma curva empírica, apresentada pelo fabricante e que indica o comportamento do dispositivo quando inserido num circuito. Linha de carga Considere-se o seguinte circuito:
Em que NLD um dispositivo não-linear (por exemplo um díodo) que tem uma curva característica conhecida. VD deve satisfazer simultaneamente a curva característica do díodo e a equação do circuito Pode-se fazer um gráfico simultâneo de ambas as curvas: polarização directa Polarização inversa Modelos dos díodos Normalmente diz-se que a corrente através de um díodo varia exponencialmente com a tensão aplicada. A forma da exponencial depende de vários parâmetros em especial da corrente de saturação.
Há dois problemas com este resultado: um é que a eq. é complicada e difícil de tratar, e o outro é que a eq. está normalmente errada. O facto é que a relação corrente /tensão depende dos detalhes de como o díodo foi construído (materiais, etc, etc). Para contornar este problema arranjaram-se 3 modelos dos quais, em cada caso, se escolhe o que melhor se adequar à situação. V d é a altura da barreira do díodo quando não há tensão aplicada. Assim, a energia que um electrão (ou lacuna) tem de ter para atravessar a barreira é ev d. O modelo 'square law' admite que a corrente, quando polarizado directamente, é proporcional ao quadrado da tensão aplicada. O modelo 'corner' admite que a corrente é zero para qq tensão inferior a V d mas aumenta quando aplicamos uma tensão superior a esta. O díodo é visto como um interruptor que está aberto quando aplicamos tensões baixas ou negativas mas que fecha quando a tensão aplicada é > ou = a V d. Ou seja é impossível ter uma tensão superior a esta aos terminais do díodo. Se aplicarmos uma tensão maior do que esta das duas uma: a fonte dá toda a corrente e a corrente através do díodo é essa ou a corrente é tão alta que queima o díodo. V d é a corner voltage. O modelo 'one way' limita-se a admitir que V d é tão baixo que é ~0. É uma simplificação um pouco drástica mas para a maior parte dos casos chega. I.e. o díodo é um interruptor que está aberto (corrente=0) quando a tensão tem um determinado sentido e fechado (passa toda a corrente) para a tensão em sentido inverso.
Efeito de Zener Se a tensão inversa aplicada a uma junção p-n fôr suficientemente elevada dá-se um ruptura (breakdown) na junção e passa a haver condução em sentido inverso. Os electrões valência que são libertados por acção do potencial aplicado podem ser acelerados o suficiente para libertarem (por colisão) outros electrões e o processo rapidamente se torna uma avalanche. Quando este processo está em curso, variações muito pequenas na tensão aplicada podem produzir alterações dramáticas na corrente, como mostra a figura. O processo de ruptura depende do campo aplicado ou seja da tensão aplicada e da espessura da zona de depleção, por isso há díodos de Zener que entram em ruptura a 4V ou a centenas de Volts. Díodo de Zener O díodo de Zener usa uma junção p-n polarizada inversamente e tira partido do efeito de Zener, ou seja da ruptura que mantém a tensão num valor aproximadamente constante e independente da corrente, designado por tensão de Zener. É um dispositivo útil em reguladores fornecendo uma tensão constante, etc. Aplicações específicas de díodos de Zener Regulador de Zener A tensão inversa constante do díodo de Zener torna-o uma componente importante para a estabilização da tensão de saída contra variações na tensão de
entrada ou variação da tensão de carga. A corrente através do Zener varia de modo a manter a tensão dentro dos limites da acção de Zener. Limitador de Zener Um díodo de zener pode limitar um lado de uma onda sinusoidal à tensão de Zener mantendo o outro lado da onda a ~zero. Com dois diodos Zener opostos pode limitar-se os dois lados à tensão de Zener. Aplicações de díodos Rectificadores
Rectificador de meia onda Rectificador de meia onda com filtro