Um guia prático para diodos

O mais simples dos dispositivos eletrônicos é um diodo. Muitas vezes é chamado de diodo semicondutor, mas, tecnicamente, um diodo tem suas próprias características elétricas específicas. Isso é verdade para todos os dispositivos eletrônicos. Eles são definidos por características elétricas únicas, embora diferentes construções, tipos e aplicações possam estar disponíveis.

Dito isto, um diodo semicondutor é a construção mais comum e básica de um dispositivo de diodo.

Compreendendo os diodos
Como dispositivo eletrônico, um diodo é uma chave unidirecional de dois terminais. Em resposta a um sinal aplicado, ele atua como uma chave fechada para a polaridade de uma tensão e uma chave aberta para a polaridade reversa.

Duas características importantes definem um dispositivo eletrônico como um diodo:

1. É um dispositivo de dois terminais
2. Permite a condução de corrente em uma direção e se opõe à condução de corrente na direção reversa.

Como resultado, qualquer diodo possui duas regiões exclusivas, independentemente do seu tipo. Uma delas é uma região ativa, onde uma polaridade de tensão aplicada permite que o diodo conduza corrente através dela. A outra é uma região de polarização reversa, onde uma polaridade aplicada faz com que o diodo se oponha à condução da corrente.

Um diodo é um dispositivo simples, mas tem inúmeras aplicações.

O diodo semicondutor
Um diodo semicondutor é a construção de diodo mais básica. Na verdade, o conceito de dispositivo de diodo evoluiu a partir do diodo semicondutor. Todos os dispositivos semicondutores são construídos pela união de materiais semicondutores intrínsecos – extrínsecos tipo p e extrínsecos tipo n.

Ambos os materiais são formados em um substrato intrínseco por dopagem de átomos de impureza aceitadores nos átomos de impureza do tipo p e doadores nas regiões do tipo n, respectivamente. Isso cria uma junção pn.

A junção pn – com os materiais do tipo p e n em ambos os lados, com os respectivos terminais de saída (condutores) – é um diodo semicondutor.

O material intrínseco submetido à dopagem para formar a junção pn pode ser silício, germânio ou arsenieto de gálio.

Um diodo, como uma simples junção pn, representa a função básica de todos os dispositivos semicondutores. Os mesmos princípios que se aplicam a um diodo semicondutor aplicam-se a outros dispositivos semicondutores sofisticados, independentemente do seu design, complexidade, operação ou características.

É por isso que aprender sobre um diodo semicondutor é fundamental para a eletrônica moderna.

Diodos em ação
No material do tipo p de um diodo semicondutor, as lacunas são os portadores com carga majoritária e os elétrons são os portadores com carga minoritária. No material tipo n, é invertido. Os elétrons são os portadores com carga majoritária e a lacuna são os portadores com carga minoritária no material do tipo n.

Os portadores minoritários em ambos os materiais representam a contribuição do substrato intrínseco e os portadores majoritários representam a contribuição dos átomos de impureza. A concentração dos portadores majoritários é 100.000 vezes maior do que os portadores minoritários em ambos os materiais.

Além disso, ambos podem ter níveis de dopagem diferentes, o que não afeta a neutralidade elétrica nem dos materiais nem do diodo.

Como mencionado, um diodo é um dispositivo de dois terminais. A extremidade condutora do material tipo p é um ânodo e a extremidade condutora do tipo n é um terminal catódico.

Como resultado de suas características elétricas, um diodo possui algumas regiões de operação.

  • Na região ativa de suas características tensão-corrente, permite a condução de corrente convencional do seu ânodo para o seu cátodo.
  • Na região não condutora de suas características tensão-ampere, ele bloqueia qualquer fluxo de corrente convencional do cátodo para o ânodo.

Como um dispositivo de dois terminais controlado por tensão, um diodo tem três condições elétricas possíveis:

1. Nenhuma tensão externa é aplicada ao diodo
2. O ânodo está em um potencial mais alto que o cátodo
3. O cátodo está em um potencial mais alto que o ânodo

As condições elétricas…

Sem viés aplicado: Na ausência de qualquer tensão externa no diodo, não há fluxo de corrente através dele. Assim que os materiais do tipo p e n formam uma junção, os buracos do tipo p se difundem no material do tipo n, próximo à junção. Isto resulta em uma camada de íons positivos no material do tipo n e ao redor da junção.

Da mesma forma, os elétrons do tipo n se difundem no material do tipo p, próximo à junção. Isto resulta em uma camada de íons negativos no material do tipo p e ao redor da junção. Isto forma um Região de depleção no cruzamento, que não possui nenhuma operadora gratuita em nenhum dos lados.

Como os portadores majoritários estão em alta concentração – há quase 100.000 vezes mais portadores minoritários em ambos os materiais – apenas alguns dos portadores majoritários têm energia suficiente para atravessar a região de depleção (devido ao calor e à luz).

Para atravessar o diodo, os buracos no material tipo p tentarão superar a força atrativa dos íons negativos no lado tipo p da junção e a força repulsiva dos íons positivos no lado tipo n da junção. .

Para atravessar o diodo, os elétrons do tipo n também devem superar a força atrativa dos íons positivos no lado tipo n da junção e a força repulsiva dos íons negativos no lado tipo p da junção. Apenas alguns portadores majoritários ganham energia cinética suficiente para atravessar esta região de depleção, que é anulada pelo movimento dos portadores minoritários através da junção.

Como resultado, na ausência de qualquer tensão aplicada, não há corrente no diodo. Portanto, a única maneira pela qual a corrente pode fluir através do diodo é se os portadores de carga majoritários ganharem energia cinética suficiente para cruzar a junção sob a influência de um campo elétrico externo.

Viés direto: Quando um ânodo está com um potencial mais alto que um cátodo, o diodo é considerado polarizado diretamente. Devido ao potencial positivo na extremidade condutora do material tipo p, os furos neste material são empurrados em direção ao tipo n. Da mesma forma, devido ao potencial negativo na extremidade condutora do material do tipo n, os elétrons neste tipo de material são empurrados em direção ao tipo p.

Como resultado, a região de depleção começa a diminuir. A uma determinada diferença de tensão positiva, conhecida como tensão de corte, a região de depleção permite que uma abundância de portadores majoritários de ambos os lados flua através do diodo. Isso causa um aumento exponencial na corrente através do diodo.

À medida que a tensão de polarização direta aumenta além da tensão de ativação, muitas portadoras majoritárias ganham energia cinética suficiente (sob a influência da tensão externa) para cruzar a região de depleção.

A corrente continuará a aumentar com a tensão aplicada diretamente até atingir um limite máximo, onde o diodo atua como um condutor. A corrente máxima através do diodo em uma condição polarizada diretamente é limitada pela concentração dos portadores de carga livre em ambos os materiais. Quanto maior o nível de dopante de ambos os materiais, maior será o limite de corrente direta do diodo.

Depois que a tensão direta é removida do diodo, a região de depleção se recupera lentamente e o diodo retorna a um estado de não condução, como é o caso sem qualquer tensão aplicada.

Polarização inversa: Quando um cátodo está com um potencial mais alto que um ânodo, o diodo é considerado em polarização reversa. O potencial negativo na extremidade condutora do material tipo p puxa os orifícios deste material em direção à sua extremidade condutora. Da mesma forma, o potencial positivo na extremidade condutora do tipo n puxa os elétrons deste material em direção à sua extremidade condutora.

Como resultado, a região de depleção se alarga e os portadores com maior carga em ambos os materiais não têm chance de cruzar a região de depleção. Para cruzar o diodo, esta polaridade de tensão permite que as portadoras minoritárias contribuam através do substrato intrínseco em ambos os lados. Uma corrente extremamente pequena (devido aos portadores minoritários), conhecida como corrente de saturação reversa,

flui através do diodo. Isso é chamado de corrente de saturação reversa porque atinge rapidamente um limite máximo, além do qual não mudará.

A corrente de saturação reversa é normalmente representada em nano amperes ou microamperes, exceto em diodos de alta potência. A corrente reversa real é maior que a corrente de saturação reversa, pois inclui outros fatores, como correntes de fuga, sensibilidade à temperatura, área de junção e portadores de carga na região de depleção.

Nos circuitos eletrônicos, esta é uma quantidade de corrente tão pequena que é insignificante em comparação com a corrente no fio condutor e outros componentes ativos de corrente de uma rede.

Região de divisão: Numa condição de polarização reversa, a região de depleção aumenta à medida que a tensão reversa aumenta. Por causa da alta tensão reversa, em determinado ponto, os portadores minoritários ganham energia cinética suficiente para iniciar um processo de ionização ao colidir com os átomos. Como resultado da ionização, vários portadores são liberados em ambos os materiais, capazes de atravessar o diodo. Isto causa uma alta corrente de avalanche fluir do cátodo para o ânodo.

O forte colapso das transportadoras minoritárias é conhecido como colapso da avalanche. A tensão reversa máxima antes que uma forte corrente de avalanche seja acionada através do diodo é chamada de tensão reversa de pico (PRV)apeak tensão inversa (PIV), ou aknão tens tensão.

A região de características além da classificação PIV é a Região Zener. Ao aumentar o nível de dopante dos materiais do tipo p e n, a classificação PIV pode ser aproximada de -5V. Devido ao aumento do nível de doping, outro fenômeno, conhecido como Análise Zenerocorre em que o aumento do nível de corrente é devido aos fortes campos elétricos que perturbam as ligações atômicas nos materiais dopados.

Um diodo semicondutor especial fortemente dopado para ter uma quebra de Zener em condição de polarização reversa é um Diodo Zener. Os diodos Zener são usados ​​para regulação de tensão.

Características tensão-corrente

Um diodo possui duas regiões de operação. Em uma condição “sem polarização”, há corrente zero fluindo através dele. Na polarização direta, o diodo entra em estado de condução. Isso significa que permite que uma pequena corrente passe pelo ânodo até que a tensão de ativação seja atingida.

Além da tensão de ativação, a corrente aumenta exponencialmente conforme a equação:

eu = eué*eDV/nVT – EUé

Onde…

  • EU é a corrente que passa pelo diodo
  • EUé é a corrente de saturação reversa
  • VD é a tensão de polarização direta aplicada
  • n é o fator ideal, que varia entre um e dois, dependendo das condições de operação e da construção do diodo
  • VT é tensão térmica

A tensão térmica é:

VT =k*TK/q

Onde…

  • TV é a tensão térmica
  • k é a constante de Boltzmann = 1,38*10-23 J/K
  • TK é a temperatura absoluta em Kelvin
  • q é a carga do elétron = 1,6 * 10-19 C

Na polarização direta, a corrente direta através do diodo aumenta exponencialmente com a tensão de polarização direta. O valor da tensão térmica também aumenta com a temperatura. Portanto, à medida que a temperatura aumenta, a corrente direta diminui e, à medida que a temperatura diminui, a corrente direta aumenta.

Na polarização reversa, a corrente de saturação reversa devido às portadoras minoritárias é a única corrente que flui através do diodo até que a tensão de joelho seja atingida. A corrente direta está na faixa de mA e aumenta em décimos de volts da polarização direta. A tensão de polarização reversa está na casa das dezenas de volts e a corrente de saturação reversa está normalmente na pA ou uA.

A tensão de corte, a corrente de saturação reversa e a tensão de joelho dependem das portadoras com carga minoritária, que são contribuídas pelo substrato intrínseco. Portanto, a tensão de ativação, a corrente de saturação reversa e a tensão de joelho dependem do material do substrato.

A tensão de corte para:

  • Diodos de silício (Si): 0,7V
  • Diodos de germânio (Ge): 0,3V
  • Diodos de arsenieto de gálio (GaAs): 1,2V

A corrente de saturação reversa para:

  • Diodos de silício (Si): 10pA
  • Diodos de germânio (Ge): 1uA
  • Diodos de arsenieto de gálio (GaAs): 1pA

A tensão inversa de pico de:

  • Diodos de silício (Si): 50V ~ 1kV
  • Diodos de germânio (Ge): 100-400V
  • Diodos de arsenieto de gálio (GaAs): 100V ~ 20KV

Resposta do sinal DC
Quando um sinal DC é aplicado a um diodo, ele opera em um ponto específico relacionado à sua curva característica. A corrente flui através do diodo somente quando o sinal DC é aplicado em polaridade positiva.

De acordo com o ponto de operação, o diodo conduz uma corrente direta fixa na faixa de mA, oferecendo uma resistência CC/estática fixa.

Resposta CA
Quando um sinal CA é aplicado a um diodo, seu ponto de operação na curva característica muda continuamente entre os picos positivos e negativos do sinal aplicado.

A corrente através do diodo passa para cima e para baixo em um ponto quiescente ou ponto Q. Este ponto Q é útil para determinar a resistência CA instantânea do diodo ao sinal. A resistência CA instantânea é derivada pela tangente no ponto Q do sinal operacional. A resistência CA média é determinada pela mudança de tensão para a mudança na corrente nos picos positivos e negativos do sinal CA.

Se o sinal aplicado tiver níveis de tensão de pico mais baixos, a resistência CA do diodo ao sinal será maior. Se o sinal aplicado tiver níveis de tensão de pico maiores, a resistência CA do diodo será menor.

Características elétricas
Algumas características elétricas importantes de um diodo semicondutor são:

  • Tensão de corte
  • Corrente direta máxima
  • Corrente de saturação reversa
  • Corrente inversa
  • Classificação PIV
  • Tensão Zener
  • Resistência CC
  • Resistência CA
  • Resistência CA média
  • Capacitância de transição
  • Capacitância de difusão

Tipos de diodos
O diodo semicondutor não é o único tipo de diodo disponível. No entanto, existem vários tipos de diodos semicondutores, cada um projetado para operar em regiões características específicas ou para oferecer propriedades físicas ou elétricas específicas.

Alguns exemplos incluem potência, Zeners, pequenos sinais, grandes sinais, diodos emissores de luz e outros.

Por exemplo, existem muitos diodos com construções especiais, como diodos laser, Shockley e Shottky, etc. Independentemente da construção, características operacionais ou propriedades físicas, a curva característica e o comportamento elétrico de todos os diodos permanecem semelhantes.

Todos os diodos são interruptores unidirecionais de dois terminais e controlados por tensão.

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