Curva Característica de um Díodo

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UNIVERSIDADE DE ÉVORA - DEPARTAMENTO DE FÍSICA 
 
ELECTRÓNICA ANALÓGICA 
 
Trabalho nº 3 
 
Díodo 
Objectivos: 
 Traçar a curva característica de um díodo. 
 
Teoria: 
 No campo da electrónica, de entre os materiais utilizados, encontramos os 
semicondutores que possuem características intermédias entre os condutores e os 
isolantes. O material semicondutor mais utilizado é o silício (Si) que, na sua forma pura 
(intrínseca), apresenta uma estrutura cristalina com 4 electrões na camada de valência, 
sendo por isso tetravalente. A sua estrutura é vista na figura 3.1. 
 
 
 
Figura 3.1 - Estrutura de um semicondutor intrínseco. 
 
 A -273oC o semicondutor intrínseco comporta-se como um isolante perfeito pois 
não há electrões livres ou fracamente ligados. Elevando-se a temperatura, os átomos, 
recebendo energia, iniciarão um processo de agitação térmica quebrando a estabilidade, 
rompendo ligações covalentes e libertando electrões. A falta de electrões origina 
lacunas ou buracos. 
 A partir do semicondutor intrínseco podem formar-se materiais tipo P ou tipo 
N através da adição de impurezas (i.e. outros materiais) por processo conhecido como 
dopagem. Um semicondutor dopado passa a ser denominado material extrínseco. Para 
se formar um material do tipo P adiciona-se, ao cristal de silício, impurezas trivalentes 
como por exemplo o alumínio (Al). Essa estrutura é vista na figura 3.2 . 
 
 
 
Figura 3.2 - Semicondutor extrínseco tipo P 
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 A figura mostra que haverá três ligações completas de electrões e uma quarta 
incompleta, por região do material, originando uma lacuna e um ião negativo fixo à 
estrutura do cristal. O material tem assim características receptivas, ou seja, de atrair 
electrões para completar a quarta ligação. Neste caso, as lacunas serão em maioria e por 
isso denominadas de portadores maioritários. Existirão também electrões como 
portadores minoritários que aparecerão pelo rompimento das ligações covalentes, 
provocadas pelo fornecimento da energia ao material. O material tipo P pode ser 
representado, como mostra a figura 3.3 . 
 
 
 
Figura 3.3 - Material extrínseco tipo P. 
 
 Para se formar um material tipo N adiciona-se, ao cristal de silício, impurezas 
pentavalentes como por exemplo fósforo (P). Essa estrutura é vista na figura 3.4 . 
 
 
 
Figura 3.4 - Semicondutor extrínseco tipo N. 
 
 A figura mostra que haverá quatro ligações completas, um electrão livre, por 
região do material, e um ião positivo fixo à estrutura do cristal. O material tem assim 
características doadoras, ou seja, de doar o electrão livre de maneira a ficar estável. 
Neste caso, os electrões serão portadores maioritários e as lacunas os minoritários. O 
material tipo N pode ser representado, como mostra a figura 3.5 . 
 
 
 
 
 
Figura 3.5 - Material extrínseco tipo N. 
 
 
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 Para construir dispositivos semicondutores é necessário unir os materiais tipo P 
e tipo N de maneira a formar uma junção PN. Essa junção, é vista na figura 3.6. 
 
 
 
Figura 3.6 - Junção PN 
 
 Na junção PN não polarizada (i.e. sem ligação a uma fonte externa), haverá um 
deslocamento de electrões da região N para a região P e simultaneamente um 
deslocamento de lacunas da região P para a região N, originando uma corrente, 
denominada de corrente de difusão. Durante esse deslocamento de portadores de 
cargas, electrões e lacunas recombinam-se, anulando as suas carga, surgindo ao lado da 
junção uma região neutra (i.e. de carga eléctrica nula) denominada barreira de 
potencial (B. P.) ou camada da carga espacial (C.C.E.). À medida que electrões e 
lacunas se vão recombinando, existirá um aumento da barreira de potencial até atingir 
um ponto de equilíbrio, isolando um material do outro. A figura 3.7 mostra uma junção 
PN não polarizada e a sua barreira de potencial. 
 
 
Figura 3.7 - Junção PN não polarizada com a barreira de potencial. 
 
 A junção PN pode ser polarizada de duas maneiras: directamente ou 
inversamente. A polarização directa consiste em ligar o pólo positivo de uma fonte ao 
lado P e o negativo ao lado N, conforme mostra a figura 3.8. 
 
 
 
Figura 3.8 - Junção PN directamente polarizada. 
 
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 Neste tipo de polarização o pólo positivo atrairá os electrões livres do lado N, 
fazendo-os vencer a barreira de potencial, originando assim uma corrente de electrões 
do pólo negativo para o positivo da bateria, sendo esta última adoptada, para fins de 
análise, em circuitos com dispositivos semicondutores. Neste caso, o material tem 
características condutivas, pois apresenta uma resistência ohmica de valor baixo (na 
ordem de algumas dezenas de ohms) permitindo a circulação de uma corrente. Devido 
aos iões formados na barreira, aparecerá uma diferença de potencial entre os terminais 
de junção, que para os semicondutores de silício está compreendida entre 0,5 e 0,8V. 
 
 A polarização inversa consiste em ligar o pólo positivo de uma fonte ao lado N e 
o negativo ao lado P, conforme mostra a figura 3.9. 
 
 
Figura 3.9 - Junção PN inversamente polarizada. 
 
 Neste tipo de polarização, o pólo positivo atrairá os electrões e o pólo negativo 
as lacunas, aumentando assim a barreira de potencial. Portanto, não haverá condução de 
corrente eléctrica devido aos portadores maioritários, existindo apenas uma corrente 
devido aos portadores minoritários (denominada de corrente de fuga) que para o 
semicondutor de silício é da ordem dos nanoamperes (nA) tornando-se desprezável. 
Neste caso, o material apresentará características isolantes pois, devido ao aumento da 
barreira de potencial, não haverá corrente, sendo sua resistência ohmica e de elevado 
valor. 
 
 Com o devido encapsulamento e conexão de terminais, a junção PN, torna-se 
num componente electrónico conhecido como díodo semicondutor, ou simplesmente 
díodo, cuja simbologia é vista na figura 3.10. 
 
 
 
Figura 3.10 - Simbologia do Díodo. 
 
 O lado P da junção PN é conhecido como anodo (A) do díodo e lado N como 
cátodo (K). Em polarização, o díodo apresenta as mesmas características já estudadas. 
Ou seja, quando polarizado directamente conduz uma corrente do anodo para o cátodo, 
e quando polarizado inversamente não conduz corrente. 
 
P N
CátodoAnodo 
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A figura 3.11 mostra as polarizações directa e inversa de um díodo, onde a 
corrente é limitada por uma resistência. 
 
 
Figura 3.11 
 
 A figura 3.12 mostra a curva característica de um díodo I=f(V). Em polarização 
directa só haverá condução de corrente depois de vencida a barreira de potencial. A 
partir daí a corrente aumenta de valor, enquanto que a tensão permanece praticamente 
constante(VD). Em polarização inversa, a corrente é praticamente nula até atingir um 
determinado valor de tensão (VRM). A partir deste valor, inicia-se um processo de 
avalanche, aumentando o número de portadores minoritários o que aumenta a corrente 
inversa até ao valor limite enquanto que a tensão permanece praticamente constante. 
Esta propriedade é denominada de EFEITO DE ZENER. Alguns díodos são 
especialmente fabricados de forma a aproveitar esta propriedade para a estabilização de 
tensão, sendo denominados Díodos Zener. 
 
 
Figura 3.12 - Curva característica do díodo. 
 
 Comercialmente, os díodos são especificados especialmente por parâmetros que 
indicam as suas características máximas de trabalho, tais como, corrente directa máxima 
(IDM) e tensão inversa máxima (VRM), que são importantes para o dimensionamento do 
componente em projectos. Além disso, os díodos apresentam uma faixa nos seus 
encapsulamentos que indica o terminal cátodo, permitindo uma correcta ligação a um 
circuito. 
 
 
 
 
 
 
 
 
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Material experimental: 
• Fonte de tensão variável; 
• Multímetro; 
• Resistência de 470/5W; 
• Díodo 1N4001 ouequivalente. 
 
Simbologia: 
 
Parte Prática: 
 
1. Meça com o ohmímetro e anote na tabela 3.1 a resistência directa e inversa do díodo. 
 
RDirecta 
RInversa 
 Tabela 3.1 
 
2. Monte o circuito da figura 3.13. 
 
Figura 3.13 
 
3. Ajuste a tensão da fonte de forma a ter no díodo os valores de tensão da tabela 3.2. 
Para cada caso, meça e anote a corrente no circuito. 
 
VD(V) 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 
ID(mA) 
Tabela 3.2 
 
4. Inverta a polaridade do díodo, conforme mostra a figura 3.14 
 
Figura 3.14 
 
5. Repita o ponto 3, para os valores da tabela 3.3. 
VD (V) 0 5 10 15 20 25 30 
ID (mA) 
 
Tabela 3.3 
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Questões: 
 
1. Com os dados obtidos nas tabelas 3.2 e 3.3, construa a curva característica do díodo: 
I=f(V). 
2. Como pode identificar os terminais de um díodo com o ohmímetro? 
3. Explique o que pode ter acontecido a um díodo, se ao medir a sua resistência do 
díodo obtiver um valor baixo tanto para a resistência directa como para a inversa. 
4. Determine o ponto de trabalho do díodo, para o circuito da figura 3.15, utilizando a 
sua característica representada. 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 3.15 
 
5. Supondo que os díodos do circuito da figura 3.16 são ideais, determine a leitura do 
voltímetro para as posições das chaves A e B indicadas na tabela. 
 
 
 
Chave A Chave B Voltímetro 
1 1 
1 2 
2 1 
2 2 
 
Figura 3.16 
 
 
1kΩ