Diodos Semicondutores

Neste artigo faremos uma análise dos diodos semicondutores, diodos zener, diodos emissores de luz (led) e varicap, que são componentes construídos a partir dos materiais semicondutores. Veremos a forma correta de aplicar esses componentes nos circuitos eletrônicos, respeitando suas limitações elétricas.

O leitor sem conhecimento prévio sobre materiais semicondutores, pode acessar um outro artigo aqui do blog, antes de ler este para uma melhor compreensão, no link a seguir Semicondutores.

Diodos Retificadores

Junção PN

A junção de um material semicondutor tipo N com um material tipo P é denominada junção PN, estrutura básica para muitos componentes eletrônicos como o diodo retificador.

Após a junção dos dois materiais ocorre um processo de recombinação na região da junção. Os elétrons da região N tendem a se difundirem para a região P. Forma-se então, na junção, uma região onde não existem portadores de carga, chamada de região de depleção. Na figura abaixo temos uma representação da região de depleção.

Região de depleção

Tanto o cristal N quanto o cristal P são eletricamente neutros, ou seja, possuem o mesmo número de prótons e elétrons. Por causa da recombinação na região da junção ocorre um desequilíbrio de cargas elétricas nos cristais, surgindo então uma ddp (diferença de potencial – tensão elétrica) nesta região, chamada de barreira de potencial.

A tensão gerada por esse desequilíbrio depende do material semicondutor utilizado. No caso do silício a tensão é de aproximadamente 0,7 V e do germânio de 0,3 V.

Acrescentando-se terminais de ligação ao cristais N e P, forma-se então um diodo retificador. Esses terminais são chamados de ânodo (cristal P) e cátodo (cristal N). Na figura abaixo temos uma representação dessa junção e também, segundo a norma NBR 12526, o símbolo do diodo.

Junção PN diodo

A identificação dos terminais do diodo pode aparecer por meio de símbolo impresso sobre o seu encapsulamento, ou um anel indicando o terminal cátodo.

Identificação diodo

Existem diferentes tipos de encapsulamentos para os diodos, determinados por suas aplicações e características elétricas.

Polarização do Diodo

O comportamento do diodo depende de como a tensão é aplicada aos seus terminais, ou seja, depende da sua polarização.

Polarização Direta

A polarização é direta quando um potencial positivo é aplicado no ânodo em relação ao cátodo, conforme mostra a imagem abaixo.

Polarização direta diodo

Na polarização direta, o pólo negativo da bateria faz com que os elétrons livres do cristal N sejam repelidos em direção à região da junção. Se a tensão aplicada aos terminais do diodo for superior à barreira de potencial (0,7 V – silício) e (0,3 – germânio), os elétrons livres adquirem velocidade suficiente para atravessar a região de depleção.

A partir daí os elétrons se recombinam com as lacunas do material P. Esses elétrons, por sua vez, são atraídos pelo pólo positivo da fonte, originando um fluxo de corrente elétrica.

Obs.: para melhor entendimento, essa análise foi feita levando-se em consideração o sentido real da corrente elétrica, do pólo negativo para o pólo positivo.

O diodo em condução comporta-se como uma chave fechada, permitindo a passagem da corrente elétrica.

Polarização direta - Lâmpada

A barreira de potencial faz com que, na polarização direta, apareça nos terminais do diodo uma queda de tensão. Na maioria dos casos o diodo é utilizado com tensões maiores que 0,7 V, portanto, a queda de tensão não provoca erros significativos nos circuitos.

Polarização Reversa

A polarização reversa caracteriza-se pela aplicação de um potencial positivo no cátodo em relação ao ânodo.

Polarização reversa

Neste tipo de polarização os portadores livres de cada material semicondutor são atraídos pelos pólos da fonte. Com o afastamento dos portadores livres da região de junção, a região de depleção aumenta, impedindo o fluxo da corrente elétrica. Neste caso, o diodo está em bloqueio.

Os diodos semicondutores em bloqueio comporta-se como uma chave aberta, não permitindo a passagem da corrente elétrica.

Na polarização reversa uma pequena corrente, chamada de corrente de fuga, circula pelo diodo. Em condições normais a corrente de fuga não interfere no funcionamento dos diodos. Seu valor está na casa de microampères.

Curva Característica

O comportamento do diodo pode ser representado por meio da sua curva característica.

Curva característica do diodo

O diodo semicondutor possui características elétricas que devem ser observadas quando da sua aplicação:

Corrente direta nominal – If (Intensity forward) – Esta característica representa o valor máximo de corrente que o diodo suporta, quando polarizado diretamente.

Tensão reversa máxima – Vr (Voltage reverse) – É a tensão máxima que o diodo suporta quando polarizado reversamente.

Essas características variam para cada tipo de diodo e são fornecidas pelo fabricante. Esses valores, quando superados, causam danos irreversíveis ao componente como a queima ou o rompimento da junção por efeito joule.

Teste de Diodos

A maioria dos multímetros digitais possui, na chave seletora, uma posição para teste de diodos. Nela verifica-se o estado da junção.

Teste de diodos

Se o multímetro apresentar essas leituras, significa que o diodo está em boas condições.

Obs.: o valores indicados pelo multímetro na polarização direta variam em função do diodo utilizado.

Com o multímetro analógico também é possível testar diodos. Na escala de resistência x10 o instrumento indica baixa resistência para polarização direta e alta resistência para polarização reversa.

Diodo Emissor de Luz – LED

O LED é um diodo feito com arsenieto de gálio (GaAs), de modo que a corrente, ao circular no sentido direto pelos cristais, promove transições eletrônicas diretas, resultando na emissão de fótons (luz). Esta luz pode ter diferentes comprimentos de onda, responsáveis pelas diferentes cores emitidas pelos LEDs.

Dentre as cores mais comuns dos LEDs destacamos o vermelho, o verde, o amarelo e o infravermelho (usado em controles remotos).

O LED é utilizado como dispositivo de sinalização e suas vantagens são enormes em relação às lâmpadas:

• baixo custo;
• baixo consumo de energia;
• baixa dissipação de calor;
• alta durabilidade.

A figura abaixo mostra o símbolo do LED.

Símbolo do LED

Para que o LED possa emitir luz, ele deve ser polarizado diretamente e a corrente limitada em aproximadamente 20 mA.

Quando polarizado reversamente, o diodo LED não emite luz e, quando polarizado diretamente, a queda de tensão no LED é de, aproximadamente, 1,6 volts.

A figura abaixo mostra um LED polarizado diretamente.

Polarização LED diretamente

A fórmula para o cálculo do resistor limitador do LED é:

R = V_cc – V_d / I_d

Onde:

V_cc: tensão com a qual o LED será alimentado
V_d: queda de tensão do LED (valor típico: 1,6 V)
I_d: corrente do LED (máx. 20 mA)

Os LEDs podem ser encontrados em vários formatos, como redondo, triangular, quadrado, etc.

Normalmente o terminal curto é o cátodo e o terminal mais comprido o ânodo. Em caso de dúvidas pode-se fazer a medição com o multímetro como demonstrado no teste com o diodo.

Diodo Zener

O diodo zener é um diodo especial utilizado como regulador de tensão. Seu símbolo, de acordo com a NBR 12526/92, é mostrado na figura abaixo.

Diodo zener

Outras formas de representação, podem ser utilizadas como nas imagens abaixo.

Símbolo diodo zener 2
Símbolo diodo zener 3

O funcionamento do diodo zener depende da forma como ele é polarizado:

• na polarização direta, o diodo zener se comporta da mesma forma que um diodo retificador, entrando em condução;
• na polarização reversa, o diodo zener atua como regulador de tensão; ao atingir a região de avalanche, a tensão sobre os terminais do zener permanece praticamente constante, fazendo o diodo entrar em condução.

O grau de dopagem e o tamanho do cristal do diodo zener definem a tensão zener e a corrente reversa máxima.

Características do Diodo Zener

Tensão zener (Vz) – É o valor de tensão no qual o diodo zener entra em condução, quando polarizado reversamente. Os valores da tensão zener são fornecidos pelo fabricante e podem ser consultados nos catálogos técnicos (data books).

Potência zener (Pz) – É a potência que o zener dissipa, quando percorrido por uma corrente reversa. Seu valor é expresso pela fórmula:

P_z = I_z . V_z

Onde:
P_z: potência zener
I_z: corrente zener
V_z: tensão zener

No mercado são comuns diodos zener com potência de 400 mW e 1 W.

Coeficiente de temperatura (mV/ºC) – Os materiais semicondutores sofrem influência da temperatura, por isso a tensão zener se modifica com a variação da temperatura. A relação entre a temperatura e a tensão zener é definida em mV/ºC, ou seja, em quantos milivolts a tensão zener se altera para cada grau centígrado alterado. Dependendo do processo de fabricação, o diodo zener pode apresentar coeficiente de temperatura negativo (a tensão zener abaixa com o aumento da temperatura) ou coeficiente de temperatura positivo (a tensão zener aumenta com o aumento da temperatura).

Tolerância – A tolerância é a variação da tensão zener em relação àquela especificada pelo fabricante. Situa-se entre 5% e 10%.

Corrente zener máxima (I_z máx.) - É o valor máximo de corrente que o diodo zener suporta, quando em condução, na polarização reversa. Seu valor é dado pela fórmula:

I_z máx = P_z / V_z

Por questão de segurança não é aconselhável que a corrente no zener chegue a 70% do seu valor máximo.

Corrente zener mínima (I_z Mín.) - É o valor mínimo de corrente necessário para que o zener mantenha estável a tensão nos seus terminais. Seu valor é dado pela fórmula:

I_z mín = I_z máx / 10

Diodo Varicap

O diodo varicap é um diodo de capacitância variável, utilizado nos circuitos sintonizadores. Seu princípio de funcionamento baseia-se na capacitância produzida por uma junção PN, quando polarizado reversamente.

A capacitância apresentada pelo dispositivo depende da distância entre as duas regiões P e N, conforme visto no início deste artigo. E conforme vimos, ao polarizar uma junção PN reversamente, a região de depleção aumenta de acordo com a tensão reversa aplicada.

O valor da capacitância apresentada pelo diodo varicap depende do valor dessa tensão reversa. Comparando-se com um capacitor variável convencional, é como se as placas estivessem se afastando, ou seja, a capacitância diminuindo. O símbolo do diodo varicap é mostrado na figura abaixo.

Diodo varicap - símbolo

O diodo varicap substitui com vantagens os capacitores variáveis, pois apresenta um custo menor e um tamanho reduzido.

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Referências: Tecset Eletrônica
Texto: Tecset Eletrônica
Imagens: Tecset Eletrônica