Guia de Diodos PN

Apostila de Eletrônica Analógica
ferraz_05@yahoo.com.br 22
4. DIODO SEMICONDUTOR DE JUNÇÃO:
4.1. Junção PN:
Se unirmos um material do tipo P a um material do tipo N, de maneira a construirmos
um único cristal, esta junção será denominada de junção PN ou diodo de junção. Sua
grande utilidade reside em deixar passar uma dada corrente em
apenas um sentido. Sendo esta corrente alternada, que flui em
dois sentidos, passa a fluir em um só sentido. A esta operação
chamamos de retificação. Na figura ao lado, representamos uma
junção PN não polarizada.
O material N apresenta um grande número de elétrons (portadores majoritários) e o
material P um grande número de lacunas (portadores majoritários). Haverá difusão através
da junção, ou seja, alguns elétrons começam a aparecer nas proximidades
do material P e algumas lacunas, nas proximidades do material N,
causando a recombinação (ocupação de uma lacuna por um elétron) entre
esses portadores e uma neutralização de cargas (um elétron se anula com uma lacuna).
Quando um elétron e uma lacuna se encontram, suas cargas individuais
neutralizam-se e isto deixa o átomo da impureza carregado. Os átomos das impurezas são
fixos. O átomo que produzir o elétron tem agora uma lacuna e se carrega positivamente, e
o átomo que produziu a lacuna tem um elétron e se carrega negativamente, e são
chamados de íons. Com isto aparecerá um campo elétrico entre o material P e o material N
e uma diferença de potencial chamada de barreira de potencial ou região de carga espacial
(camada de depleção), que age como uma barreira impedindo a continuação da difusão
dos elétrons livres. A intensidade da camada de depleção aumenta com cada elétron que
atravessa a junção até que se atinja um equilíbrio. A 25º, esta barreira é de 0,7V para o
silício e 0,3V para o germânio.
Depleção significa diminuição ou ausência e, neste caso, esta palavra corresponde à
ausência de portadores majoritários na região próxima à junção PN .

4.2. Polarização do diodo:
Polarizar um diodo significa aplicar uma diferença de potencial às suas
extremidades. Supondo uma bateria sobre os terminais do diodo, há uma polarização direta
se o pólo positivo da bateria for colocado em contato com o material tipo p e o pólo
negativo em contato com o material tipo n.
4.2.1. Polarização direta da Junção PN:
Consiste em colocarmos o terminal positivo da bateria no elemento P da junção PN
e o terminal negativo da bateria ao lado N.
No material tipo n os elétrons são repelidos pelo terminal da bateria e empurrado
para a junção. No material tipo p as lacunas também são repelidas pelo terminal e tendem
a penetrar na junção, e isto diminui a camada
de depleção. Para haver fluxo livre de elétrons
a tensão da bateria tem de sobrepujar o efeito
da camada de depleção.
Neste caso, os portadores majoritários
são repelidos em direção à junção, havendo
uma barreira de potencial muito pequena e facilidade para passagem da corrente elétrica.
O diodo apresenta uma resistência muito baixa para esta polarização.
4.2.2. Polarização Inversa da Junção PN:
Invertendo-se as conexões entre a bateria e a junção pn, isto é, ligando o pólo
positivo no material tipo n e o pólo negativo no material tipo p, a junção fica polarizada
inversamente. No material tipo n os elétrons são atraídos para o terminal positivo,
afastando-se da junção. Fato análogo ocorre com as lacunas do material do tipo p.
Podemos dizer que a bateria aumenta a camada de depleção, tornando praticamente
impossível o deslocamento de elétrons de uma camada para outra.
Neste caso, os portadores majoritários do lado P (lacunas) são atraídos pelo pólo
negativo da bateria e do lado N (elétrons) pelo pólo positivo da bateria.
Os portadores majoritários se afastam da
junção, aumentando a barreira de potencial, não
permitindo a passagem de corrente através da
junção.
Na realidade existirá uma pequena corrente,
devido aos portadores minoritários. Esta corrente é
chamada corrente de fuga, e varia com a temperatura.

NOTA: Conforme os estudos anteriores, podemos concluir que o elemento PN conduz
quando diretamente polarizado, apresentando, na junção, uma pequena resistência, um
pouco maior que uma ou duas dezenas de ohms, e não conduz quando polarizado
inversamente, apresentando uma resistência da ordem de mega-ohms.
4.3. Símbolo e diagrama em bloco do diodo de junção:
Como vimos, ao elemento puro, por exemplo o silício, dopado de forma a ter uma
região P e N, chamados de diodo de junção.
O diodo possui 02 (dois) eletrodos. Ao lado P, conecta-se um elemento denominado
ânodo, e o lado N, o catodo, conforme a figura abaixo:
Como sabemos, o fluxo de corrente é do material P para o N, ou seja, do ânodo (+)
para o catodo (-), que ocorre na polarização direta.
Podemos representar um diodo polarizado diretamente atuando como uma chave
fechada, que representa uma resistência quase igual a 0 (zero).
Quando polarizamos o diodo inversamente, representamo-lo atuando como se fosse
sendo sua resistência de valor muito elevado, não havendo circulação de corrente.
4.4. Curva característica do diodo de junção:
A curva característica de um diodo é um gráfico que relaciona cada valor da tensão
aplicada com a respectiva corrente elétrica que atravessa o diodo.
4.4.1. Polarização Direta:
Nota-se pela curva que o diodo ao contrário de, por exemplo, um resistor, não é um
componente linear. A tensão U também é conhecida como Vd ou como Vγ.

Ao se aplicar a polarização direta, o diodo não conduz intensamente até que se
ultrapasse a barreira potencial. À medida que a bateria se aproxima do potencial da
barreira, os elétrons livres e as lacunas começam a atravessar a junção em grandes
quantidades.
A tensão para a qual a corrente começa a aumentar rapidamente é chamada de
tensão de joelho.
A polarização direta é representada no eixo positivo pela tensão (U), e a corrente (I).
Esta tensão (U ou Vd ou Vγ), a 25ºC , é de aproximadamente 0,3 V para um diodo
de germânio (Ge), e de 0,7V para um diodo de silício (Si). Podemos notar, pela curva em
polarização direta, que para pequenos valores de U, praticamente não temos I, passando a
existir quando atingirmos as características de condução do diodo.
A corrente da polarização direta (I) é da ordem de mili-ampéres (mA).
4.4.2. Polarização Reversa:
Na polarização reversa ou inversa, notamos que para pequenos valores de tensão, a
corrente é aproximadamente constante.O diodo polarizado reversamente, passa uma
corrente elétrica extremamente pequena, (chamada de corrente de fuga). Esta corrente é
devida aos portadores minoritários, sendo da ordem de micro-ampères (µA).
Quando aumentamos a tensão inversa, notamos que I quase não apresenta
variações, até atingirmos a tensão máxima inversa na qual o diodo se queima; a esta
tensão chamamos de tensão de ruptura (varia muito de diodo para diodo) a partir da qual a
corrente aumenta sensivelmente.
* Salvo o diodo feito para tal, os diodos não podem trabalhar na região de ruptura.
4.4.3. Gráfico Completo:

4.5. Especificações de Potência de um diodo:
Em qualquer componente, a potência dissipada é a tensão aplicada multiplicada pela
corrente que o atravessa e isto vale para o diodo: IUP ×=
Não se pode ultrapassar a potência máxima, especificada pelo fabricante, pois
haverá um aquecimento excessivo. Os fabricantes em geral indicam a potência máxima ou
corrente máxima suportada por um diodo, por exemplo: 1N4001 ⇒ IMAX = 1A
Usualmente os diodos são divididos em duas categorias, os diodos para pequenos
sinais (potência especificada abaixo de 0,5W) e os retificadores ( PMAX > 0,5W).
4.6. Resistor Limitador de Corrente:
Num diodo polarizado diretamente, uma pequena tensão
aplicada pode gerar uma alta intensidade de corrente. Em geral um
resistor é usado em série com o diodo para limitar a corrente elétrica
que passa através deles.
RS é chamado de resistor limitador de corrente. Quanto maior
o RS, menor a corrente que atravessa o diodo e o RS .
4.7. Determinação da reta de carga de um diodo:
Quando utilizarmos um diodo, devemos determinar o ponto de operação (ponto em
que o diodo está trabalhando), através da reta de
carga.
Consideramos o circuito ao lado, temos um
diodo polarizado diretamente, onde circula uma
corrente I no sentido indicado, passando pelo
resistor R.
Conhecemos a curva característica do diodo, descrita anteriormente.
Para sabermos o ponto de funcionamento do diodo, devemos conhecer o valor da
corrente e da tensão sobre o mesmo. Pelo circuito, podemos escrever: E = Vd + I.R
Para traçarmos uma reta, necessitamos de 02 (dois) pontos, fazendo:
a) Para I = 0, esse ponto é chamado corte, pois representa a corrente mínima que
atravessa o resistor e o diodo, temos: E = Vd + 0.R ∴ E = Vd (que é o ponto do eixo
das abscissas).
b) Para Vd = 0, esse ponto é chamado de ponto de saturação, pois é o máximo valor que
a corrente pode assumir, temos: E = 0 + I . R ∴
R
E
I = . (que é o ponto do eixo das
ordenadas).

A reta que passa por estes pontos é chamada de reta de carga e sua interseção com
a curva característica do diodo, indica o ponto de operação do diodo ou ponto quiescente.
Na figura abaixo a reta de carga intercepta a característica do diodo no ponto de
operação do mesmo e através de duas perpendiculares passando por esse ponto em
relação a Id e Vd, determinamos a tensão de trabalho (Vdq) e a corrente de trabalho (Idq)
do diodo.
Exemplo : Dada a curva característica de um diodo, mostrada na figura abaixo, determinar o
seu ponto quiescente e sua potência de dissipação, sabendo-se que ele está ligado em série com
um resistor de 50. e alimentado por uma fonte de 2,2V.
Primeiramente, deve-se determinar a reta de carga:
Vc = Vcc ∴ Vc = 2,2V Is = Vcc/RL ∴ Is = 2,2/50 . Is = 44mA
Traça-se agora a reta de carga
sobre a curva característica do
diodo:

Assim, o ponto quiescente resultante é:
Vd = 1,2V e Id = 20mA
Finalmente, a potência dissipada pelo diodo vale:
a) PD = Vd × Id ∴ PD = 1,25 × 20 × 10 – 3
∴ PD = 25mW
4.8. Aproximações do diodo:
Ao analisar ou projetar circuitos com diodos se faz necessário conhecer a curva do
diodo, mas dependendo da aplicação pode-se fazer aproximações para facilitar os cálculos.
4.8.1. 1ª Aproximação – Diodo Ideal:
Dizemos que um diodo é ideal quando conduz, diretamente, ao ser polarizado e sua
resistência é igual a zero; porém quando
polarizado inversamente, sua resistência é
infinita, o diodo não conduz. Um diodo ideal
se comporta como um condutor ideal quando
polarizado no sentido direto, ou seja,
funciona como uma chave fechada e como
um isolante perfeito no sentido reverso, ou seja, funciona como uma chave aberta.
4.8.2. 2ª Aproximação – Diodo com Vγ:
Leva-se em conta o fato de o
diodo precisar de 0,7V para iniciar a
conduzir. Pensa-se no diodo como
uma chave em série com uma
bateria de 0,7V.
4.8.3. 3ª Aproximação – Diodo com Vγ e rb (Modelo Linear):
Na terceira aproximação
considera a resistência interna do
diodo.
Este modelo é o mais próximo
do real e considera o diodo
comportando-se como um condutor em
série com uma bateria de valor Vγ = 0,7V e uma resistência rb correspondente à inclinação
de sua curva característica na polarização direta.

Exemplos:
Para efeito de comparação, estes exemplos mostram os resultados dos cálculos das
correntes num diodo, utilizando-se os três modelos em duas condições diferentes de
circuitos:
Circuito 1:
1ª Aproximação:
2ª Aproximação:
3ª Aproximação:
Neste caso, percebe-se que as diferenças entre os resultados obtidos são pequenas
em relação à ordem de grandeza da corrente no diodo e, portanto, qualquer modelo pode
ser adotado, dependendo apenas da precisão desejada.
Circuito 2:
1ª Aproximação:
2ª Aproximação:
3ª Aproximação:
Neste caso, percebe-se que as diferenças entre os resultados obtidos são quase da
mesma ordem de grandeza da corrente no diodo e, portanto, o modelo 3 deve ser o
preferido, pois a corrente resultante certamente é muito próxima do valor real.

4.9. Outros tipos de Diodos:
4.9.1. Diodo Emissor de Luz (LED):
O LED é um diodo que quando polarizado diretamente emite luz
visível (amarela, verde, vermelha, laranja ou azul) ou luz infravermelha. Ao
contrário dos diodos comuns não é feito de silício, que é um material opaco,
e sim, de elementos como gálio, arsênico e fósforo. É amplamente usada em
equipamentos devido a sua longa vida, baixa tensão de acionamento e boa
resposta em circuitos de chaveamento.
A polarização do LED é similar ao um diodo comum, ou seja, acoplado
em série com um resistor limitador de corrente, como mostrado na figura ao
lado.
Para a maioria dos LED’s disponíveis no mercado, a queda de tensão típica é de 1,5
a 2,5V para correntes entre 10 e 50mA.
4.9.2. Fotodiodo:
É um diodo com encapsulamento transparente, reversamente polarizado que é
sensível à luz, nele, o aumento da intensidade luminosa, aumenta sua corrente reversa.
Num diodo polarizado reversamente, circula somente os portadores minoritários. Esses
portadores existem porque a energia térmica entrega energia suficiente para alguns
elétrons de valência saírem fora de suas órbitas, gerando elétrons livres e lacunas,
contribuindo, assim, para a corrente reversa. Quando uma energia luminosa incide numa
junção pn, ela injeta mais energia aos elétrons de valência e com isto gera mais elétrons
livres. Quanto mais intensa for a luz na junção, maior será corrente reversa no fotodiodo.

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