Diodo Zener.et

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO MARANHÃO
CURSO DE FÍSICA BACHARELADO
DISCIPLINA ELETRÔNICA BÁSICA	PROF CÂNDIDO
ABIGAIL RODRIGUES CASTRO
DIODO, DIODO ZENER E TRANSISTORES
SÃO LUÍS
MA
Diodo
História
O engenheiro inglês J. Ambrose Fleming construiu em 1905 o primeiro diodo, conhecido como válvula diodo, este fora o primeiro dispositivo semicondutor. O diodo era constituído de um invólucro de vidro "fechado a vácuo", tal como a lâmpada eléctrica de filamento inventada por Edison, e contendo dois elétrodos, como mostra a Fig.1. 
Figura 1. Válvula de diodo.
O elétrodo denominado cátodo é aquecido de tal modo que liberta os elétrons e o outro elétrodo denominado ânodo, ou placa, capta os elétrons emitidos pelo cátodo e envia-os de novo para o cátodo através de um circuito externo.
No entanto, para que haja passagem de corrente elétrica, o sinal da carga no ânodo deve ser positiva pois a carga dos elétrons é negativa. Caso a carga do ânodo seja negativa não há passagem de corrente elétrica. Embora o diodo tenha sido construído inicialmente para detectar ondas hertzianas de alta frequência, foi também utilizado como retificador de corrente, isto é para transformar corrente elétrica alternada em corrente elétrica contínua. 
"A válvula constitui, portanto, um amplificador de sinal elétrico, tendo sido utilizada em vários aparelhos elétricos, como os amplificadores de som e as primeiras televisões" Belita Koiller, artigo "A Arquitetura da Matéria”.
As válvulas apresentavam limitações como o fato de os feixes de elétrons transitarem em tubos de vidro que são volumosos e frágeis, além das altas temperaturas requeridas para que os filamentos metálicos emitam os elétrons, gerando forte aquecimento e dissipação de energia, a incapacidade das válvulas em lidar com altas temperaturas e a sua curta vida útil, impossibilidade de integração e baixa velocidade de operação.
Em 1907, Lee De Forest adicionou um terceiro elétrodo ao diodo e construiu o tríodo que foi utilizado como amplificador de sinais. Diodos, tríodos e tetrodos forma denominados, na linguagem corrente, válvulas ou lâmpadas de vácuo - vacuum tube.
O que é um diodo?
O diodo é um componente elétrico que permite que a corrente o atravesse num sentido com muito mais facilidade do que no outro. O tipo mais comum de diodo é o diodo semicondutor, no entanto, existem outras tecnologias de diodo. O Diodo semicondutor é componente eletrônico composto de cristal semicondutor de silício ou germânio numa película cristalina cujas faces opostas são dopadas por diferentes materiais durante sua formação, que causa a polarização de cada uma das extremidades.
Figura 2. Esquema de um diodo.
Num simples circuito, o papel do diodo é permitir ou impedir que a corrente atravesse o circuito, dependendo da polaridade da tensão aplicada, como nas duas figuras abaixo.
Figura 3. Tipos de polarização da corrente.
Na imagem da esquerda o diodo está diretamente polarizado, há corrente e a lâmpada fica acesa. Na imagem da direita o diodo está inversamente polarizado, não há corrente, logo a lâmpada fica apagada.
O diodo funciona como uma chave de acionamento automático (fechada quando o diodo está diretamente polarizado e aberta quando o diodo está inversamente polarizado). A diferença mais substancial é que, quando diretamente polarizado, há uma queda de tensão no diodo muito maior do que aquela que geralmente se observa em chaves mecânicas (no caso do diodo de silício, 0,7 V). 
A principal função de um diodo semicondutor, em circuitos retificadores de corrente, é transformar corrente alternada em corrente contínua pulsante. Como no semiciclo negativo de uma corrente alternada o diodo faz a função de uma chave aberta, não passa corrente elétrica no circuito (considerando o “sentido convencional de corrente”, do “positivo” para o “negativo”). A principal função de um diodo semicondutor, em circuitos de corrente contínua, é controlar o fluxo da corrente, permitindo que a corrente elétrica circule apenas em um sentido.
A dopagem no diodo é feita pela introdução de elementos dentro de cristais tetravalentes, normalmente feitos de silício e germânio. Dopando esses cristais com elementos trivalentes, obtêm-se átomos com sete elétrons na camada de valência, que necessitam de mais um elétron para a neutralização (cristal P). Para a formação do cristal P, utiliza-se principalmente o elemento índio. Dopando os cristais tetravalentes com elementos pentavalentes, obtêm-se átomos neutralizados (com oito elétrons na camada de valência) e um elétron excedente (cristal N).
Para a formação do cristal N, utiliza-se principalmente o elemento Fósforo. Quanto maior a intensidade da dopagem, maior a condutibilidade dos cristais, pois suas estruturas apresentam um número maior de portadores livres (lacunas e elétrons livres) e poucas impurezas que impedem a condução da corrente elétrica. Outro fator que influencia na condução desses materiais é a temperatura. Quanto maior é a temperatura de um diodo, maior a condutibilidade, pelo fato de que a energia térmica ter a capacidade de quebrar algumas ligações covalentes da estrutura, acarretando no aparecimento de mais portadores livres para a condução de corrente elétrica.
Após dopadas, cada face dos dois tipos de cristais (P e N) tem uma determinada característica diferente da oposta, gerando regiões de condução do cristal, uma com excesso de elétrons, outra com falta destes (lacunas). Entre ambas, há uma região de equilíbrio por recombinação de cargas positivas e negativas, a qual possui uma barreira de potencial.
Figura 4. Curva característica do comportamento do diodo em sua polarização direta e inversa.
A polarização do diodo é dependente da polarização da fonte geradora. A polarização é direta quando o pólo positivo da fonte geradora entra em contato com o lado do cristal P, anodo, e o pólo negativo da fonte geradora entra em contato com o lado do cristal N, cátodo.
Assim, se a tensão da fonte geradora for maior que a tensão interna do diodo, os portadores livres se repelirão por causa da polaridade da fonte geradora e conseguirão ultrapassar a junção P-N, movimentando-os e permitindo a passagem de corrente elétrica. A polarização é indireta quando o inverso ocorre. Assim, ocorrerá uma atração das lacunas do anodo pela polarização negativa da fonte geradora e uma atração dos elétrons livres do cátodo pela polarização positiva da fonte geradora, sem existir um fluxo de portadores livres na junção P-N, ocasionando no bloqueio da corrente elétrica.
Tipos de Diodos
Diodo Zener: É um diodo utilizado como regulador de tensão, ele é feito para funcionar na região de ruptura. Analisando o gráfico , encontramos uma região em que a tensão no diodo praticamente não se altera com um grande aumento de corrente, servindo como um regulador de tensão. Este diodo pode ser produzido com tensões de ruptura da ordem de unidades a dezenas de volts.
Figura 5. Gráfico
 
Diodo Emissor de Luz (LED): Numa corrente direta, quando os elétrons se recombinam com as lacunas, após passarem pela região de depleção, dissipam energia. Diodos Zener por exemplo, dissipam esta energia na forma de calor, LEDs no entanto irradiam luz. 
 Fotodiodo: diodos que são produzidos especialmente para serem mais sensíveis à incidência de luz, aumentando a sua corrente reversa. Com o aumento da intensidade de luz o número de portadores minoritários aumenta, aumentando também a corrente reversa.
Diodo Schottky: este tipo de diodo serve para diminuir a quantidade de carga portadores do outro material que por algum motivo não se recombinaram ou passaram para o outro lado da junção. 
Diodos de corrente constante: tipo de diodo que tem uma função inversa com a do Zener, ao invés de manter uma tensão constante em correntes altas, ele mantém uma corrente constante em faixas de tensão, desta maneira podem funcionar como controladores de corrente.
 Diodos de recuperação em degrau: Diodos deste tipo através de um nível perfil de dopagem,apresentam uma corrente reversa alta durante um pequeno espaço de tempo devido às cargas armazenadas, quando em frequência alternada, passa da condução direta para reversa e cai logo a zero, sendo por isso chamado de diodo de recuperação em degrau.
  Diodos de retaguarda: através do aumento da dopagem de diodos Zener pode-se obter correntes altas em tensões reversas baixas, diodos assim dopados são denominados diodos de retaguarda.
Diodo Zener
Um diodo zener é constituído por uma junção PN de material semicondutor (silício ou germânio) e por dois terminais, o ânodo (A) e o cátodo (K), como descrito na Fig.6. Sua diferença física se comparado ao diodo semicondutor é a intensidade e tipo de dopagem realizada.
Figura 6. Constituição e símbolo do diodo zener.
Assim como o diodo semicondutor, o diodo zener também pode ser polarizado de duas maneiras, polarização direta e polarização reversa. Quando polarizado diretamente, o diodo zener se comporta da mesma forma que um diodo retificador, entrando em condução e assumindo uma queda de tensão de 0,7V para o silício e 0,3V para o germânio na Fig.2.
Figura 7. Diodo Zener polarizado diretamente.
Enquanto o diodo retificador bloqueia a circulação de corrente, o zener atua como regulador de tensão, ao atingir a região de avalanche, a tensão sobre os terminais do zener permanece praticamente constante, fazendo o mesmo entrar em condução (figura 3).
Figura 3 – Diodo zener polarizado reversamente
3 Características do diodo zener
	As características técnicas que devem ser respeitadas para que o diodo zener não queime e ocorra um curto-circuito ou abertura da junção são:
TENSÃO ZENER (VZ): É o valor de tensão no qual o diodo zener entra em condução, quando polarizado reversamente. Os valores de tensão são padronizados pelos fabricantes.
POTÊNCIA ZENER (PZ): É a potência que o diodo zener pode dissipar, quando percorrido pela corrente reversa. Seu valor é expresso pela fórmula Pz = Iz.Vz, No mercado são comuns diodos zener com potências zener entre 400mW e 1W.
COEFICIENTE DE TEMPERATURA: A tensão zener se modifica pela ação da temperatura, a tensão pode subir ou descer com o aumento da temperatura, porém em faixas de valores pequenos.
TOLERÂNCIA: É o valor da tensão zener em relação à tensão zener especificada pelos fabricantes.
CORRENTE ZENER MÁXIMA (IZmáx): Máximo valor de corrente que o diodo zener suporta, quando em condução na polarização reversa. Iz máx = Pz / Vz. É aconselhável que se utilize 70% do seu valor máximo.
CORRENTE ZENER MÍNIMA (IZmín): Mínimo valor de corrente que o diodo zener necessita para que ele mantenha estável a tensão nos seus terminais Iz mín = Iz máx / 10.
4 Curva característica
	A curva característica do diodo zener é da seguinte forma, e através dela é possível o estudo das diferentes regiões de operação do mesmo. Ela exibe o comportamento do dispositivo nas regiões direta e reversa e os valores de tensão e corrente para cada ponto da faixa de operação (figura 4). 
Figura 4 – Curva característica do diodo zener
NOTA 1: Os díodos zener são definidos pela sua tensão de zener (Vz) mas para que possa existir regulação/estabilização de tensão aos seus terminais a corrente que circula pelo díodo zener (Iz) deve manter-se entre os valores de corrente zener definidos como máximo e mínimo, pois se é menor que o valor mínimo, não permite a regulação da tensão e, se é maior, pode romper a junção PN por excesso de corrente.
NOTA 2: Quando um díodo zener está a trabalhar na zona de ruptura, um aumento na corrente produz um ligeiro aumento na tensão. Isto significa que o díodo zener tem uma pequena resistência que também é denominada impedância zener (Zz).
5 Aplicações
Se desejarmos alimentar uma carga qualquer com uma tensão constante, perfeitamente isenta de qualquer variação ou flutuação, nada mais há do que montar o sistema constituído pelo díodo zener (polarizado inversamente) e a resistência limitadora R, de tal modo que o diodo fique em paralelo com a carga, ou seja, ele estabiliza a tensão na carga (figura 5).
	
Figura 5 – Circuito estabilizador com diodo zener
O diodo zener quando polarizado inversamente (ânodo a um potencial negativo em relação ao cátodo) permite manter uma tensão constante aos seus terminais (VZ) sendo por isso muito utilizado na estabilização/regulação da tensão nos circuitos. Este fenômeno pode ser visualizado pelo circuito abaixo (figura 6).
Saída estabilizada a 12 Volt
Entrada não estabilizada de 15 a 17 Volt
Figura 6 – Diodo zener estabilizando tensão na carga
Para que este tipo de circuito funcione de maneira adequada, são necessárias algumas regras, que garantes o bom funcionamento e eficiência da estabilização do dispositivo. (figura 7).
O transistor, um componente semicondutor
O transistor resulta da união de dois diodos e foi produzido pela primeira vez em 1947, 11 anos após o início das pesquisas com semicondutores, pela equipe dos laboratórios Bell - que inclusive ganhou o prêmio Nobel de Física, em 1956.
Em poucos anos, o invento se disseminaria por todo o parque industrial e permitiria uma onda de inovações tecnológicas sem precedentes. "Os rádios portáteis, então tornados possíveis, traziam estampada a expressão 'Solid State' (estado sólido), em referência à ausência de válvulas, já que seus circuitos eram construídos com cristais (sólidos, sem vácuo ou preenchimento com gases)", conta Rosa.
"O controle de sinais elétricos por transistores permite sua aplicação tanto em circuitos amplificadores quanto em circuitos lógicos. No caso de operações lógicas, o transistor funciona como uma chave, que abre e fecha um circuito elétrico fornecendo os bits 0 ou 1 conforme os sinais recebidos. Os chips dos computadores modernos são circuitos integrados (CI), isto é, fabricados em um único 'bloco' de silício e contendo dezenas de milhões de transistores", ensina Belita Koiller, professora da UFRJ.
Mais eficiente, mais barato, menor e gastando muito menos energia do que sua antecessora - a válvula -, o transistor permitiu a diminuição do tamanho dos equipamentos eletrônicos e conduziu a um dos mais importantes e bem sucedidos caminhos de transferência do conhecimento científico puro para a aplicação no desenvolvimento social.
"A descoberta do efeito transistor e sua posterior utilização como substituto das válvulas tornaram clara a alta potencialidade tecnológica dos materiais semicondutores e inegavelmente foram fundamentais para que esses materiais alcançassem a importância que hoje detêm", afirmaram os professores Adenilson Chiquito eFrancesco Lanciotti Júnior, do Departamento de Física na Universidade Federal de São Carlos , no artigo "O Transistor, 50 Anos". 
http://piano.dsi.uminho.pt/museuv/1905a1942.html
http://www.clickciencia.ufscar.br/portal/edicao14/materia4_detalhe.php
https://pt.wikipedia.org/wiki/Diodo_semicondutor
http://www.lsi.usp.br/~eletroni/milton/tiposd.htm