ELETRONICA ANALOGICA

DIODO SEMICONDUTORES.

1. Etapa 1.1

1.1. Passo 1 – Teoria dos diodos.

1.1.1. Descrição.

A eletrônica se desenvolveu muito nas últimas décadas. A cada dia, novos componentes são colocados no mercado, simplificando o projeto e a construção de novos equipamentos, cada vez mais sofisticado. Um dos fatos que contribuiu para esta evolução foi a descoberta e a aplicação dos materiais semicondutores.

O primeiro componente utilizado como material semicondutor foi o diodo semicondutor que é utilizado até hoje em circuitos retificadores, ou seja, aqueles que transformam corrente alternada em corrente continua.

Materiais semicondutores são aqueles que apresentam características de isolantes ou de condutor, dependendo da forma que se apresenta sua estrutura química. O exemplo típico do material semicondutor é o carbono (C). Dependendo da forma como os átomos se interligam, o material formado se torna condutor ou isolante.

Dois exemplos de bastante conhecidos de materiais formados por átomos de carbono são o diamante e o grafite.

O diamante é um material de grande dureza que se forma pelo arranjo de átomos de carbono de forma de estrutura cristalina. É eletricamente isolante.

O grafite é um material que se forma pelo arranjo de átomos de carbono em forma triangular e é condutor de eletricidade.

Os materiais considerados semicondutores se caracterizam por serem constituído de átomos

que tem quatros elétrons (tetravalentes) na camada de valência.

Fig.1.0

Os átomos que tem quatro elétrons na ultima camada tem tendência a ser agruparem segundo

uma formação cristalina. Nesse tipo de ligação, cada átomo se combina com quatro outros.

Isso faz que com que cada elétrons pertença simultaneamente a dois átomos.

1.1.2. Dopagem

A dopagem é o processo químico que tem por finalidade introduzir átomos estranhos

(impurezas) na estrutura cristalina de uma substância pura como o germânio e o silício.

A dopagem, que é realizada em laboratórios, introduz no interior da estrutura de um cristal

uma quantidade controlada de uma determinada impureza para transformar essa estrutura

num condutor.

1.1.3. Cristal N

Quando o processo de dopagem introduz na estrutura cristalina uma quantidade de átomos

com mais de quatro elétrons na última camada, como o fósforo (P) que é penta valente,

forma-se uma nova estrutura cristalina denominada cristal N.

No cristal semicondutor, cada átomo de impureza fornece um elétron livre dentro da estrutura.

Esse elétron isolado tem a característica de se liberar facilmente o átomo e de vagar

livremente dentro da estrutura do cristal, constituindo-se de um portador livre de carga

elétrica. embora o material tenha sido dopado, seu número total de elétrons e prótons é igual,

de forma que o material continua eletricamente neutro. Nesse cristal a corrente elétrica é conduzida no seu interior por cargas negativas, independentes da polaridade.

1.1.4. Cristal P

A utilização de átomos com três elétrons na ultima camada, trivalentes, no processo de dopagem, dá origem à estrutura chamada cristal P, O átomo de Índio (In) é um exemplo desse tipo de material. Quando se aplica uma ddp aos extremos de um cristal P, uma lacuna é ocupada por um elétron que se movimenta, e força a criação de outra lacuna atrás de si, até que seja preenchida por elétron proveniente da fonte. Há dois fatores que influenciam a condutividade dos materiais semicondutores, a temperatura e a intensidade da dopagem.

Assim o comportamento de qualquer componente eletrônico fabricado com matérias semicondutores depende da temperatura, chamada de dependência térmica e é fator importante nos projetos dos circuitos.

1.1.5. Junção PN

O diodo se constitui da junção de duas pastilhas de material semicondutor, uma de material N e outra de material P, denominado junção PN.

Como consequência da passagem de cargas de um cristal para outro, cria-se um desiquilíbrio elétrico na região da junção. Os elétrons que se movimentam do material N para o material P geram um pequeno potencial elétrico negativo.

As lacunas que se movimentam para o material N geram um pequeno potencial elétrico positivo.

Esse desiquilíbrio elétrico é chamado de barreira de potencial. No funcionamento do diodo, esta barreira se comporta como uma pequena bateria dentro do componente. A tensão proporcionada pela barreira de potencial no interior do diodo depende do material utilizado na sua fabricação. Nos diodos de germânio (Ge), a barreira tem aproximadamente 0,3V e nos silício (Si), aproximadamente 0,7V

1.1.6. Polarização do diodo.

A aplicação de tensão sobre o diodo estabelece a forma como o componente se comporta eletricamente. A tensão pode ser aplicada ao diodo pela polarização direta ou pela polarização inversa do componente.

Polarização direta é uma condição que ocorre quando o lado p é submetido a um potencial positivo relativo ao lado n do diodo.

Nessa situação, o polo positivo da fonte repele as lacunas do material p em direção ao polo negativo, enquanto os elétrons livres do lado n são repelidos do polo negativo em direção ao polo positivo.

Na situação ilustrada abaixo, o valor da tensão aplicada ao diodo é inferior ao valor Vγ da barreira de potencial. Nessa condição, a maior parte dos elétrons e lacunas não têm energia suficiente para atravessar a junção.

Como resultado, apenas alguns elétrons e lacunas têm energia suficiente para penetrar a barreira de potencial, produzindo uma pequena corrente elétrica através do diodo.

Quando o diodo está polarizado diretamente, conduzindo corrente elétrica sob a condição