Aula sobre diodos para a cadeira de Eletrônica Analógica

1. Electrónica Analógica em
12 aulas
AULA 3:
DÍODOS
Adaptado das Aulas na Internet do Professor Newton Braga 1

2. Aula 3: Díodos
3.1 Estrutura e Propriedades de Materiais Semicondutores
3.2 Junção P-N
3.3 O díodo Semicondutor
3.4 Tipos de Díodos
3.4.1 Díodo Zener
3.4.2 Díodo Emissor de Luz (LED)
3.4.3 Foto-Díodo
3.4.4 O díodo Varicap
3.4.5 O díodo de Schottky
Adaptado das Aulas na Internet do Professor Newton Braga 2

3. 3.1 Estrutura e propriedades de materiais semicondutores
• Muitos componentes como transistores, circuitos integrados e outros, em que se
baseia a eletrônica moderna, são fabricados a partir semicondutores.
• Sabemos que existem dois tipos de comportamentos dos materiais em relação à
capacidade de conduzir a corrente eléctrica. Existem os materiais condutores, e os
materiais em que a corrente não pode passar, denominados isolantes.
• Dentre os condutores destacamos os metais, os gases ionizados, as soluções iônicas,
etc. Dentre os isolantes destacamos o vidro, a borracha, a mica, plásticos, etc.
• Há uma terceira categoria de materiais, um grupo intermediário de materiais que
não são bons condutores, pois a corrente tem dificuldade em passar através deles,
mas não são totalmente isolantes. Nestes materiais, os portadores de carga podem
se mover, mas com certa dificuldade. Estes materiais são denominados
“semicondutores”.
• Dentre os materiais semicondutores mais importantes, que apresentam essas
propriedades, destacamos os elementos químicos silício (Si), germânio (Ge) e o
Selênio (Se). Numa escala de capacidades de conduzir a corrente, eles ficariam em
posições intermediárias, conforme mostra a figura
Adaptado das Aulas na Internet do Professor Newton Braga 3

4. 3.1 Estrutura e propriedades de materiais semicondutores
A escala de condutividade dos materiais
• Durante certo tempo, muitos componentes eletrônicos eram feitos exclusivamente à
base de germânio, caso dos primeiros transistores, mas depois o silício praticamente
tomou conta da tecnologia eletrônica e, hoje alguns outros materiais começam a
aparecer como o Gálio (Ga), índio (In), e diversas ligas que incluem a utilização
destes materiais em conjunto.
Adaptado das Aulas na Internet do Professor Newton Braga 4

5. 3.1 Estrutura e propriedades de materiais semicondutores
A estrutura cristalina do silício e do germânio
• Para entendermos o comportamento desses materiais, analisemos o modo como os
átomos estão dispostos nesses materiais. No germânio e no silício, os átomos
possuem 4 electrões na sua última camada de modo que, quando eles formam uma
estrutura, esses átomos se dispõem da maneira que pode ser vista nas figuras
acima.
Adaptado das Aulas na Internet do Professor Newton Braga 5

6. 3.1 Estrutura e propriedades de materiais semicondutores
• Trata-se de uma estrutura cristalina em que a disposição se mantém em toda a extensão do corpo,
dotando-os de propriedades especiais.
• A tendência dos átomos numa estrutura como essa é a união de tal forma que na última camada
tenhamos sempre 8 elétrons.
• Assim, na forma de um cristal, como o que vimos, tanto o Germânio como o Silício podem
compartilhar os elétrons das últimas camadas dos átomos vizinhos, de tal forma que sempre
teremos 8 elétrons em torno de cada núcleo, conforme o leitor poderá ver clicando na figura
abaixo.
• Esse compartilhamento faz com que a estrutura obtida seja muito estável, e os elétrons tão
firmemente presos nos pontos em que devem permanecer que sua mobilidade é reduzida através
do material.
• Como os elétrons são os portadores de carga, a dificuldade que encontram em se movimentar por
entre os átomos dessa estrutura, dificulta a passagem de qualquer corrente elétrica. Isso faz com
que a resistividade de materiais semicondutores puros, como o silício ou o germânio, seja muito
alta. Adaptado das Aulas na Internet do Professor Newton Braga 6

7. 3.1 Estrutura e propriedades de materiais semicondutores
Obtendo um material tipo N
• Na sua forma pura nenhum material semicondutor, como o Silício e o Germânio, encontram aplicações
práticas na eletrônica, mas a situação muda se adicionarmos certas “impurezas” a esses materiais.
• Essas impurezas consistem em substâncias cujos átomos tenham em sua última camada um número de
elétrons diferente de 4. E, para que o efeito desejado seja obtido, a adição dessas impurezas se faz numa
quantidade extremamente pequena, da ordem de poucas partes por milhão ou p.p.m..
• Elementos cujos átomos possuam 5 elétrons na última camada (camada de valência). Estes elementos são
denominados pentavalentes.
• Elementos cujos átomos possuam 3 elétrons na última camada (camada de valência). Estes elementos são
denominados trivalentes.
• O primeiro caso pode ser visto na figura. Trata-se do elemento arsênio (As) que possui 5 elétrons na sua
última camada. Vamos supor que formamos uma estrutura em que cada átomo de arsênio fique cercado por
átomos de germânio (ou silício).
Adaptado das Aulas na Internet do Professor Newton Braga 7

8. 3.1 Estrutura e propriedades de materiais semicondutores
Estrutura de um material P, (Si dopado com índio (In))
• Como os átomos vizinhos só podem compartilhar 8 elétrons, na forma mostrada na figura, sobra
um elétron no local em que existe um átomo com 5 elétrons. Este elétron que sobra tem
mobilidade, podendo se deslocar através do material. O elétron pode saltar de átomo para átomo,
movimentando-se através da estrutura.
• Esta mobilidade permite que ele seja usado como um “portador” de cargas, ou seja, num agente
que possibilita a circulação de correntes.
• Assim, nos materiais dopados com estes átomos, a resistividade é menor e eles apresentam maior
capacidade de conduzir a corrente. Como os portadores de carga são elétrons (negativos) dizemos
que se trata de um material semicondutor do tipo N (negativo).
• Na segunda possibilidade, acrescentamos uma impureza que tenha átomos dotados de 3 elétrons
na última camada como, por exemplo, o índio (In), obtendo-se então uma estrutura conforme a
figura. Adaptado das Aulas na Internet do Professor Newton Braga 8

9. 3.2 Junção PN
• Quando juntamos dois materiais semicondutores de tipos diferentes, P e N, forma-
se entre eles uma junção que tem propriedades elétricas importantes. Na verdade,
são as propriedades das junções semicondutoras que tornam possível a fabricação
de todos os dispositivos semicondutores modernos, do diodo, passando pelo
transistor ao circuito integrado.
• Para entender como funciona a junção, vamos partir de dois pedaços de materiais
semicondutores, um P e outro N, que são unidos, de modo a formar uma junção,
conforme mostra a figura.
Adaptado das Aulas na Internet do Professor Newton Braga 9

10. 3.2 Junção PN
Esta barreira possui um valor que
depende da natureza do material
semicondutor usado, sendo da ordem
de 0,2 V para o Ge e 7,6 V para o Si
• No local da junção, os elétrons que estão em excesso no material N se deslocam até
o material P, procurando então lacunas, onde se fixam.
• O resultado é que temos elétrons neutralizando lacunas, ou seja, nesta região não
temos mais material nem N e nem P, mas sim material neutro. No entanto, ao
mesmo tempo em que ocorre a neutralização, uma pequena tensão elétrica passa a
se manifestar entre as duas regiões de material semicondutor.
• Essa tensão, que aparece na junção, consiste numa verdadeira barreira que precisa
ser vencida para que possamos fazer circular qualquer corrente entre os dois
materiais. Conforme o fenômeno sugere, o nome dado é “barreira de potencial”,
conforme mostra a figura Adaptado das Aulas na Internet do Professor Newton Braga 10

11. 3.3 O diodo semicondutor
Junção polarizada no sentido directo
• Vamos supor que o material P é ligado ao polo positivo da bateria, enquanto que o material
N é ligado ao polo negativo. Ocorre então uma repulsão entre cargas que faz com que os
portadores de carga do material P, ou seja, as lacunas se movimentem em direção à junção,
enquanto que os portadores de carga do material N, que são os elétrons livres, se afastam
do polo da bateria sendo empurrados em direção à junção.
• Os portadores de carga positivos (lacunas) e os negativos (elétrons) se encontram na região
da junção onde recombinam e são neutralizados. O movimento dos portadores de carga,
nada mais é do que uma corrente elétrica que pode fluir livremente através do
componente, sem encontrar muita resistência ou oposição. Dizemos, nessas condições, que
o componente, esta polarizado no sentido direto, conforme mostra a figura abaixo.
Adaptado das Aulas na Internet do Professor Newton Braga 11

12. 3.3 O diodo semicondutor
Junção polarizada no sentido inverso
• Da mesma forma, invertendo a polaridade da bateria, os portadores do material P
se afastam da junção, o que significa que temos um “alargamento da junção”, com
um aumento da barreira de potencial que impede a circulação de qualquer corrente
elétrica. A estrutura polarizada desta forma, ou seja, polarizada no sentido inverso,
não deixa a corrente passar.
• Na prática, uma pequena corrente da ordem de milionésimos de ampère pode
circular mesmo quando o diodo está polarizado no sentido inverso. Esta corrente
“de fuga” se deve ao fato de que o calor ambiente agita os átomos do material de tal
forma que, um ou outro portador de carga pode ser libertado, transportando
corrente dessa forma.
Adaptado das Aulas na Internet do Professor Newton Braga 12

13. 3.3 O diodo semicondutor
Símbolo, estrutura e aspectos dos principais tipos de diodos
Adaptado das Aulas na Internet do Professor Newton Braga 13

14. 3.4 Tipos de diodos
Díodo de Zener
• Conforme vimos, existe um limite para a tensão que pode ser aplicada no sentido
inverso num diodo comum. Quando a tensão supera esse valor, que varia de tipo
para tipo de diodo, a junção “rompe-se”, tornando-se condutora e, com isso,
conduzindo uma corrente de forma intensa. A corrente passa a fluir sem encontrar
maiores obstáculos.
• Para os diodos comuns, este rompimento no sentido inverso significa a queima do
componente. No entanto, existem diodos projetados para suportar a corrente no
sentido inverso até certo limite, mesmo quando a tensão inversa é superada. Um
desses componentes é o diodo zener.
• Em caso de ruptura por mais que a corrente aumente, a tensão no diodo se mantém
fixa, no valor Vp, que a partir de agora será chamado de Vz ou tensão zener.
• Isto significa que se tivermos um diodo que possa trabalhar nesse ponto da curva
característica, sem queimar, ele conseguirá manter fixa a tensão num circuito
independentemente da corrente, ou seja, ele poderá funcionar como um regulador
de tensão..
Adaptado das Aulas na Internet do Professor Newton Braga 14

15. 3.4 Tipos de diodos
Díodo de Zener
Os diodos zener podem cumprir uma função muito importante nos circuitos,
regulando a tensão de fontes de alimentação, além de estarem presentes em
muitas aplicações em que se necessita de uma tensão fixa. Diodos zener com
tensões entre 2 e 200 volts podem ser encontrados nos aparelhos eletrônicos
comuns.
Adaptado das Aulas na Internet do Professor Newton Braga 15

16. 3.4 Tipos de diodos
Díodo de Zener
Os diodos zener podem cumprir uma função muito importante nos circuitos,
regulando a tensão de fontes de alimentação, além de estarem presentes em
muitas aplicações em que se necessita de uma tensão fixa. Diodos zener com
tensões entre 2 e 200 volts podem ser encontrados nos aparelhos eletrônicos
comuns.
Adaptado das Aulas na Internet do Professor Newton Braga 16

17. 3.4 Tipos de diodos. O LED (díodo emissor de luz)
Temos componentes cuja estrutura básica é a mesma de um diodo comum, mas que são feitos de
materiais como o Arseneto de Gálio (GaAs) e outras variações como o Arseneto de Gálio com Indio
(GaAsIn) , sendo denominados “light emitting diodes” ou “diodos emissores de luz” cuja, abreviação do
termo inglês resulta em LED e que emitem luz quando por eles passa corrente eléctrica.
Assim, diferentemente da luz branca que é formada pela mistura de todas as cores, a luz emitida por um
LED tem cor única. Trata-se de uma fonte de luz monocromática, conforme mostram os espectros de
emissão que o leitor poderá ver na figura abaixo.
Adaptado das Aulas na Internet do Professor Newton Braga 17

18. 3.4 Tipos de diodos
O LED
Como a combinação de cores pode
resultar na luz branca, existem LEDs que
combinam três pastilhas diferentes
internamente, nas cores básicas RGB e
quando acesos, produzem luz branca de
grande intensidade como na imagem.
Pode-se obter LEDs com altíssimo rendimento, capazes de
substituir lâmpadas comuns de iluminação, e não apenas,
sinalização ou indicação. Estes LEDs são denominados “de
alto brilho” e substituem as lâmpadas comuns em muitas
aplicações. A lâmpada-LED acima, substitui com vantagem
uma lâmpada incandescente comum, pelo seu rendimento
e durabilidade.
Adaptado das Aulas na Internet do Professor Newton Braga 18

19. 3.4 Tipos de diodos
TV de LEDs
• Os pontos de imagem de uma TV analógica tradicional formam-se através do impacto de
eletrões acelerados por altíssimos potenciais (50 kV) em materiais fosforescentes nas cores
básicas RGB. Podemos obter uma imagem de TV de forma equivalente utilizando para os
pontos de imagem LEDs nestas cores. É claro que precisaremos de milhões deles, um para
cada ponto de imagem de cada cor, mas a tecnologia actual consegue fabricar estes
displays, conforme mostra a figura abaixo. São milhões de LEDs montados num painel
formando grupos de 3 (RGB), um para cada ponto d imagem, conforme mostra a mesma
figura. A vantagem do uso dos LEDs neste tipo de display é que eles apresentam um
rendimento muito alto, que leva o televisor ou monitor a um baixo consumo, e seus painéis
são planos, ocupando muito menos espaço.
• A excitação dos LEDs para produzir a imagem, entretanto, deve ser feita na forma digital,
através de circuitos totalmente diferentes dos televisores e monitores que usam
cinescópios. Adaptado das Aulas na Internet do Professor Newton Braga 19

20. 3.4 Tipos de diodos
Usando LEDs
• A curva característica mostra que o ponto Vf, o instante em que o LED
começa a conduzir a corrente corresponde a uma tensão maior do que a
obtida em diodos comuns
• Assim, para um LED vermelho e infravermelho essa tensão é de 1,6 V,
subindo para 2,1 V num LED amarelo e chegando a mais de 2,7 V para
LEDs verdes, azuis e brancos.
• Isso significa que precisamos de uma tensão com pelo menos esse valor,
para que o LED “acenda”, pois ele precisa conduzir no sentido directo
para isso.
• Por outro lado, vemos que a tensão inversa de ruptura (Vr) está em torno
de 5 V. Isso significa que os LEDs nunca podem ser polarizados no sentido
inverso com mais de 5 V, pois isso pode causar sua queima.
• Outro fato importante que obtemos da curva característica do LED é que,
a partir da condução no sentido directo, a corrente aumenta quase que
numa vertical, o que quer dizer que, começando a conduzir, a resistência
do LED cai a um valor muito baixo. Isso significa que, se não houver
algum meio para limitar a corrente nesse componente, ela aumenta
rapidamente podendo superar o máximo que ele suporta, causando sua
queima.
• Para LEDs comuns essa corrente é da ordem de 50 mA ou pouco mais
(depende do tamanho do LED), mas existem tipos de alta intensidade em
que ela é bem maior. De qualquer forma, o leitor deve lembrar que o LED
é um componente frágil, principalmente os de menor potência.
Adaptado das Aulas na Internet do Professor Newton Braga 20

21. 3.4 Tipos de diodos
Os foto-diodos
• Já vimos que uma pequena corrente pode fluir por um diodo
quando polarizado no sentido inverso devido à liberação de
portadores de carga pela temperatura. A elevação da
temperatura faz com que haja uma “agitação” dos átomos e
isso pode fazer com que portadores sejam libertados.
• Porém, se a luz puder alcançar a junção de um diodo
polarizado no sentido inverso, conforme sugere a figura
abaixo, portadores de carga podem ser também libertados.
• O resultado disso, é que a corrente circulante não mais
dependerá somente da temperatura, mas também da
quantidade de luz ou intensidade da luz que incide nessa
junção.
• Esses componentes chamam-se “foto-diodos”, em que
propositalmente se expõe através de uma janela ou
invólucro transparente, a junção à luz exterior, de modo a se
obter uma corrente proporcional à sua intensidade.
Adaptado das Aulas na Internet do Professor Newton Braga 21

22. 3.4 Tipos de diodos
Foto-díodos
Os foto-diodos comuns se caracterizam, tanto pela sua sensibilidade, como pela velocidade com que podem
responder à qualquer variação da intensidade da luz. Isso faz com que eles possam ser usados na leitura de
códigos de barras, cartões perfurados, em alarmes, detectores de radiação, indicadores de posição ou encoders,
ou ainda para a recepção da luz modulada como ocorre num sistema de controle remoto.
Na figura acima temos característica de sensibilidade de um foto-diodo, onde vemos que esses componente
podem “ver” formas de radiação que nossos olhos não percebem, ou seja, abaixo do vermelho e acima do
violeta.
Adaptado das Aulas na Internet do Professor Newton Braga 22

23. 3.4 Tipos de diodos
O Varicap
Quando polarizamos um diodo comum no
sentido inverso, conforme mostra a figura
abaixo, os portadores de carga se afastam da
junção, diminuindo a intensidade do
fenômeno da recombinação pela condução,
responsável pela condução do componente:
não há corrente entre o anodo e o catodo e a
região da junção aumenta de espessura.
Os portadores de carga acumulados no material e separados por
uma região isolante, formam uma estrutura muito semelhante a
de um capacitor comum: o local onde ficam as cargas acumuladas
corresponde às armaduras do capacitor e a região em que não
temos a condução, em torno da junção corresponde ao dielétrico.
Num capacitor comum, a capacitância obtida depende de 3
factores:
a) tamanho das armaduras, ou seja, sua superfície efetiva.
b) distância de separação entre as armaduras
c) material de que é feito o dielétrico (constante dielétrica).
Num diodo polarizado no sentido inverso, a capacitância
apresentada dependerá então do tamanho do material
semicondutor usado (armaduras), da separação entre as regiões
em que as cargas se acumulam e da constante dielétrica do
material semicondutor usado (silício), conforme mostra a figura.
Adaptado das Aulas na Internet do Professor Newton Braga 23

24. 3.4 Tipos de diodos
O Varicap
• Nos capacitores comuns, todos esses fatores são fixos e num capacitor variável podemos alterar a distância de separação
entre as armaduras, ou ainda sua superfície efetiva. Num diodo, entretanto, existe um factor que pode ser alterado a
partir de uma acção exterior que é a distância entre as armaduras.
• Como, na realidade, as armaduras deste capacitor "fictício" que existem no diodo são formadas por portadores de carga
capazes de se mover no interior do material, podemos afastá-las ou aproximá-las pela ação de um campo elétrico, ou seja,
pela aplicação de uma tensão externa.
• Se o diodo estiver desligado (tensão nula entre o anodo e o catodo), os portadores de cargas das armaduras atraem-se e
só se não se recombinam totalmente, porque existe uma barreira de potencial na junção.
• Sua distância é então mínima e a capacitância apresentada pelo componente é máxima, conforme indicado na figura
Adaptado das Aulas na Internet do Professor Newton Braga 24

25. 3.4 Tipos de diodos
O díodo Schottky
Estes diodos têm uma queda de potencial no sentido directo muito baixa e, por isso, comutam
mais rapidamente, passando do estado de não condução para condução e vice-versa de forma
muito rápida.
O que diferencia as características de condução dos diodos comuns em relação aos diodos
Schottky é a tecnologia de fabricação e o material usado.
Na figura temos as curvas características obtidas para este componente, observando-se a
tensão muito baixa em que ele começa a conduzir quando polarizado no sentido directo.
Adaptado das Aulas na Internet do Professor Newton Braga 25

26. FIM DA AULA 3
Adaptado das Aulas na Internet do Professor Newton Braga 26