Preparatório - Determinação da Curva Característica de um Diodo Retificador

SUMÁRIO

Neste preparatório iremos analisar fisicamente o dispositivo de estado sólido mais básico, o diodo.

Compreendendo o quê este componente da eletrônica proporciona e como o faz, observando as grandezas físicas envolvidas neste ramo da engenharia.

1. INTRODUÇÃO

O diodo retificador, é um dispositivo de estado sólido. Tendo como antecessores, as válvulas termoiônicas - mais básico na eletrônica.

Também, possui um componente mecânico análogo: a válvula de bloqueio (hidráulica e pneumática), que permite o fluxo de modo unidirecional.

Seguindo a orientação sugerida, os principais tópicos presentes neste trabalho são:

1) Explicar porque o potencial de contato da junção p-n não pode ser medido simplesmente ligando-se um voltímetro nos terminais do diodo.

2) Explicar fisicamente porque um diodo (junção p-n) funciona como retificador.

3) Escrever a equação que liga a tensão a corrente para um diodo p-n.

4) Desenhar as características Volt-Ampére, na mesma escala, para diodos de germanio e de silício mostrando a tensão de limiar para cada uma delas.

5) O que é um diodo ideal? Desenhe o gráfico de um diodo ideal.

6) O que é reta de carga de um circuito?

7) Porque posso definir a região antes do joelho como não linear ? E porque posso definir a região após o joelho como linear?

1.1. PARTE TEÓRICA

Os diodos são construídos a partir de materiais semicondutores, principalmente de Silício (Si) e Germânio (Ge) - elementos tetravalentes. Essa característica permite uma construção que, quando é adicionada uma impureza de forma dosada (dopagem), que não altera significativamente a estrutura atômica, mas altera a ligação covalente.

O processo de dopagem pode ser feito de duas formas: Os materiais extrínsecos de tipo N (doadores) - elementos de impureza pentavalente, como o antimônio (Sb), arsênio (As) e fósforo (P) e os materiais extrínsecos de tipo P (aceitadores) - elementos de impureza trivalente, como o boro (B), gálio (Ga) e índio (In). A região de dopagem, constituída de íons positivos e negativos é nomeada de região de depleção, devido à redução do elemento dopado.

Após o efeito de dopagem o material muda o seu comportamento elétrico, pois as impurezas presentes estão estruturadas com elétrons, relativamente "livres". Obtendo um componente que possui fluxo de carga do anodo para o catodo e bloqueando o fluxo de carga do catodo para o anodo: Temos o diodo retificador.

Uma observação sobre os dispositivos de estado sólido é a miniaturização, permitindo a construção de circuitos altamente complexos, com um número de componentes muito maior que o volume ocupado. Limitados somente pela qualidade do material, técnicas de projetos e de equipamentos e processos de fabricação.

1.2. PARTE EXPERIMENTAL

Verificando um diodo ideal {Respondendo ao tópico 5}, o dispositivo perfeito em todos os sentidos, sem limites em suas características primárias, como demonstrado na Figura 01.

O circuito à ser analisado é composto por uma fonte de tensão DC, um resistor e um diodo em série. Temos, então, três formas possíveis de polarização:

Polarização Direta [VD>0V] a região de condução do diodo ideal (curto circuito);

Polarização Reversa [VD<0V] a região de não-condução do diodo ideal (circuito aberto);

Sem polarização [VD=0] o material é elétricamente neutro, {Respondendo ao tópico 1} pois o número de prótons ainda é igual ao número de elétrons.

Figura 01: Gráfico do Diodo ideal

Assim temos um dispositivo capaz de conduzir corrente em um único sentido, funcionando como uma chave como demonstrado na Figura 02.

Figura 02: Relação de polarização de um Diodo Ideal

O diodo ideal não representa o comportamento real do diodo retificador. Por exemplo, existe corrente sob condições de polarização reversa, e é chamada de Corrente de Saturação Reversa (IS), pois o bloqueio causado pela região de depleção, possui um limite e acaba cedendo, mesmo que com uma corrente muitíssimo pequena.

Através de conceitos da física dos dispositivos de estado sólido,