Uma introdução objetiva dedicada a estudantes interessados em tecnologias de aproveitamento de fontes renováveis de energia. Prof. M. Sc. Rafael Urbaneja
6. DIODO 6.1. FUNÇÃO BÁSICA O diodo é um componente eletrônico que tem como particularidade comportar-se como condutor ou isolante elétrico, em função do sentido da tensão elétrica aplicada aos seus terminais. A sua sua representação esquemática é apresentada abaixo: Figura 6.1: Representação grafica de diodo. Quando o diodo está diretamente polarizado (polarização direta) ele conduz e permite a circulação da corrente elétrica. Figura 62: Diodo diretamente polarizado a lâmpada acende. Quando o diodo está inversamente polarizado (polarização inversa ou reversa) impede a circulação corrente elétrica. Figura 6.3: Diodo inversamente polarizado a lâmpada não acende. Figura 6.4: Estados de condução (a) e não condução (b) de diodo ideal estabelecidos pela polarização aplicada. 1
6.2. ESTRUTURA BASICA O diodo convencional é composto por dois blocos de material semicondutor: um do tipo n outro do tipo p. Figura 6.5: Ilustração comparativa de diodo. Relembrando: Dopagem do tipo n: Ocorre com adição de Fósforo (P), Antimônio (Sb), ou Arsênio (As), ao Silício. Tanto o Arsênio, quanto o Fósforo ou Antimônio, apresentam cinco elétrons na camada de valência, assim, quando agregados ao Silício somente quatro daqueles cinco elétrons de valência formam ligações covalentes, e portanto o elétron de valência restante fica livre, dando origem ao chamado elétron livre, que devido à sua mobilidade contribui para a condução da corrente elétrica. A designação n está ligada à concentração de carga negativa. Figura 6.6: Ilustração de dopagem por impureza doadora. Essas impurezas com cinco elétrons na camada de valência são chamados átomos doadores. Assim vejamos... No material no estado intrínseco existem muito poucos elétrons livres, e consequentemente, poucas lacunas, produzidos por excitação térmica ou luminosa, ou ainda devido a impurezas não eliminadas. Figura 6.7: Ilustração de material intrínseco. 2
Dessa forma quando ocorre a dopagem, o material agora extrínseco, tem aumentado seu número de elétrons livres, mas não o de lacunas e claro para cada elétron livre gerado temos um átomo doador desse elétron, portanto agora íon positivo. Por isso, em um material do tipo n temos íons portadores positivos e os elétrons como portadores majoritários e as lacunas como portadores minoritários. Figura 6.8: Ilustração de material dopado com impurezas doadoras gerando um semicondutor n. Dopagem do tipo p: Ocorre com a adição de Boro (B), Índio (In) ou Gálio (Ga) ao Silício. Ambos apresentam três elétrons na camada de valência. Figura 6.9: Ilustração de material dopado com impurezas aceitadoras gerando um semicondutor p. Quando agregados ao Silício ocorrem ligações covalentes com apenas três elétrons gerando uma lacuna que contribui para a condução da corrente elétrica. A ausência do elétron gera uma carga positiva (por isso o nome P) que rapidamente aceitará um elétron livre. Essas impurezas com três elétrons na camada de valência são chamadas átomos aceitadores. Figura 6.10: Ilustração de material dopado gerando um semicondutor p a apresentando as lacunas. 3
Tanto no semicondutor n quanto o p, apesar do grande número de elétrons livres (semicondutor n), ou lacunas (semicondutor p) gerados, o material produzido com a introdução dos dopantes continua eletricamente neutro, porque o número total de prótons no núcleo dos átomos é igual ao número de total de elétrons. O resultado final implica no grande aumento do numero de elétrons no nível de condução, à temperatura ambiente. Isso aumenta a condutividade do material significativamente. À temperatuar ambiente em um bloco de Si intrinsico existe 1 eletrons para cada 10 12 átomos (1 para 10 9 no Ge). Se doparmos o material na proporção de 1 atomo de dopante para 10 milhões atomos de Si intrinsico (10 7 ) então o numero de portadores seria 10 12 /10 7 = 10 5, ou seja teríamos aumentado o numero de portadores na proporção de 10 5 para 1. Após a formação da junção pn, alguns elétrons livres se difundem do semicondutor tipo n para o semicondutor tipo p. Processo semelhante ocorre com algumas lacunas existentes no semicondutor tipo p que difundem para o semicondutor tipo n. Figura 6.11: Ilustração de junção pn e formação de correntes elétricas. 6.3. A FORMAÇÃO DA CAMADA DE DEPLEÇÃO Importante destacar: 1. As ligações covalentes fixam os íons na estrutura do cristal; 2. Devido à repulsão mútua, os elétrons livres no lado n se difundem movendo-se em todas as direções, e fazendo com que alguns atravessem a junção; Quando um elétron livre sai da região n dá origem a um átomo eletrizado positivamente (um íon positivo) na região n; Esse elétron portador minoritário na região p apresenta vida média curta, ou seja, logo após entrar na região p preenche uma lacuna; 4
Figura 6.12: Ilustração de junção pn atingindo o equilíbrio. Assim, a lacuna deixa de existir e o átomo ao qual o elétron se ligou se torna eletrizado negativamente (gerando um íon negativo); Cada vez que um elétron atravessa a junção cria um par de íons um íon positivo na região n e um íon negativo na região p observe a Figura a seguir; Figura 6.13: Ilustração de junção pn atingindo o equilíbrio. Figura 6.14: Ilustração de junção pn formando a região de depleção. 3. À medida que o número de íons aumenta, a região próxima a junção fica totalmente esgotada de elétrons livres ou lacunas. Atingida a condição de equilíbrio, se estabelece uma distribuição de cargas fixas à rede cristalina nas proximidades da junção. Essa região de cargas próxima à junção é denominada região de cargas descobertas ou região de depleção. 5
Figura 6.15: Ilustração de junção pn e região de depleção estabelecida. Figura 6.16: Ilustração de junção pn, região de depleção estabelecida e redistribuição de cargas elétricas. 4. Com o surgimento da região de depleção cessa a difusão de elétrons para o lado p, devido à repulsão aplicada pela região p negativamente eletrizada. De forma análoga o mesmo se aplica à difusão de lacunas para as lacunas do lado p para o lado n. Assim, a região de depleção gera uma diferença de potencial em que o potencial elétrico cresce no sentido do lado p para n. Essa barreira de potencial bloqueia a manutenção da difusão de portadores de carga elétrica através da junção pn não polarizada. Figura 6.17: Ilustração de junção pn. O estabelecimento da barreira de potencial, Para junções pn em Silício a barreira de potencial U à temperatura de 25 C é da ordem de 0,7 V e para o Germânio, da ordem de 0,3 V. 6
6.4. A OPERAÇÃO DO DIODO 6.4.1. Introdução De forma simplificada, podemos imaginar que quando o diodo é polarizado de forma direta, isto é, quando uma tensão positiva é aplicada ao terminal conectado à região tipo p (anodo) e uma tensão negativa é aplicada ao outro termina, tipo n, (catodo), a barreira criada pela junção pn diminui, permitindo a passagem de corrente elétrica. A Figura abaixo ilustra a explicação apresentada: Figura 6.18: Diodo diretamente polarizado a tensão elétrica plicada é tal que o potencial elétrico aplicado ao terminal conectado à região tipo p (anodo) é maior que potencial elétrico aplicado ao terminal tipo n De forma contrária, quando o diodo é inversamente, ou reversamente, polarizado a barreira aumenta, impedindo a passagem da corrente. Figura 6.19: Diodo inversamente polarizado a tensão elétrica aplicada é tal que o potencial elétrico aplicado ao terminal conectado à região tipo p (anodo) é menor que potencial elétrico aplicado ao terminal tipo n. De fato, na polarização inversa, a corrente elétrica apresenta intensidade muito pequena, desde que a tensão elétrica aplicada não ultrapasse o valor da denominada tensão de ruptura (Vz). A tensão de ruptura é a tensão mínima a partir da qual um diodo inversamente polarizado passa a conduzir corrente elétrica. O gráfico abaixo ilustra a intensidade da corrente elétrica que circula num diodo nos diferentes tipos de polarização. 7
Figura 6.20: Ilustração mostrando a variação da intensidade da corrente elétrica que circula num diodo nos diferentes tipos de polarização. Observe que: a) Quando a tensão aplicada é menor que a tensão de ruptura (VZ) a intensidade da corrente elétrica é praticamente nula se o diodo está inversamente polarizado; b) Em condição de diodo diretamente polarizado, para que a intensidade da corrente elétrica assuma valores significativos é necessário que a tensão elétrica aplicada seja superior a um valor (V0) "tensão interna" específico. Esse valor específico de tensão aplicada (tensão interna) é da ordem de 0,70 V para diodos de Silício e 0,3 V para doidos de Germânio. A variação da intensidade corrente elétrica no diodo em função da tensão elétrica aplicada aos seus terminais se comporta de forma quase exponencial. Com boa aproximação a intensidade de corrente I é dada pela expressão: V I d = I s (ev T 1) onde V T = kt q I d = I s (e qv kt 1) onde q é a carga do elementar( 1,6 10-19 C), V a tensão aos terminais do diodo, k a constante de Boltzman ( 1,38.10-23 J/K), T a temperatura absoluta e Is a intensidade da corrente de saturação (especifica para cada diodo). À temperatura ambiente (300 K) temos: q kt 40,0 V 1 I d = I s (e 40,0 V 1) 8
6.4.2. Simulação de comportamento para diodo real Em determinadas aplicações o comportamento pode ser assimilado a um diodo ideal ou associado a uma característica linearizada (ver Figura abaixo). Figura 6.21: Curvas características a correspondentes modelos idealizados de diodo. Da esquerda para a direita: diodo ideal; diodo com comportamento ideal mas com uma tensão limiar de condução; diodo com característica linearizada. (Vd - tensão limiar de condução, Rd - resistência de condução direta). 6.4.3. Determinação das características (I, V) de um diodo O diodo é um componente não-linear. Assim, o cálculo da corrente que circula por um circuito com um diodo torna-se um pouco mais complicado que no caso de componentes lineares. A título de exemplo, vamos determinar a corrente no circuito indicado na Figura 22. Figura 6.22: Cicuito objeto e curva característica do diodo. Se o diodo opera na zona de condução, sua tensão de operação é aproximadamente constante (Vd), para diodos de Silicio Vd VO= 0,70 V). Assim, podemos substituir o diodo, nos cálculos, por uma fonte de tensão de 0,70 V e tratar o circuito como um circuito linear, em que podemos escrever: Lei de Kirchoff V i = 0 5,0 100. I 0,70 = 0 I = 4,3. 10 2 A 9
Naturalmente a solução acima é um procedimento simplificado. Essa aproximação, útil em muitas situações, não pode ser aplicada quando se pretende rigor, ou quando o diodo não opera em condução franca. Nestes casos, devemos aplicar duas condições: a que define a característica do diodo V I = I s (ev T 1) onde V T = kt q e o resultado das Leis de Kirchoff: Lei de Kirchoff V i = 0 Com a aplicação dessa relações pode-se determinar o ponto de operação do circuito. No entanto, com o mesmo rigor podemos aplicar uma solução grafica, mais simples: para o circuito acima podemos calcular a intensidade de corrente elétrica no resistor (IR), a mesma do diodo (Id) (elementos associados em série I= IR= Id) fazendo ou seja: I = V R R = V fonte V d R I = 5,0 V d 100 V d = 5,0 100 I Figura 6.23: Curvas característica de resistor e diodo. (A): Curva característica do diodo (Idiodo (V)), não linear (B): Reta de carga é um recurso usado para calcular o valor exato da corrente e da tensão de operação do diodo em um dado circuito. A solução é o ponto de intersecção entre as duas curvas (em que I=Idiodo e V=Vdiodo), no caso acima teremos I= 4,4.10-2 A. 10
DÍODO DE JUNÇÃO PN O QUE É IMPORTANTE SABER O díodo de junção de Silício é essencialmente uma junção pn formada num só cristal de Silício por um processo metalúrgico; No Silício de tipo p existe uma abundância de lacunas (portadores eletrizados positivamente) enquanto que no Silício de tipo n são os elétrons os portadores majoritários; Na interface de uma junção pn desenvolve-se uma região de depleção com o lado n eletrizado positivamente e o lado p eletrizado negativamente. À diferença de potencial existente dá-se o nome de barreira de potencial; Nos terminais de uma junção pn em circuito aberto se establece uma diferença de potencial que denominamos tensão própria da junção (V0) No sentido direto circula uma corrente de difusão ID (resultado do transporte de lacunas no lado p e de elétrons no lado n) e no sentido inverso circula uma corrente IS (resultado da geração térmica de portadores minoritários). Numa junção em circuito aberto, ID=IS e a barreira de potencial é V0. A aplicação de uma tensão V em sentido inverso provoca um alargamento da região de depleção e a barreira de potencial aumenta para V0 + V. A corrente de difusão diminui e a corrente resultante em sentido inverso passa a ser IS - ID A aplicação de uma tensão de polarização V em sentido direto provoca um estreitamento da região de depleção e a barreira de potencial diminui para V0 - V. A corrente de difusão aumenta e a corrente resultante em sentido direto passa a ser ID - IS 11