Diodos Semicondutores Nielson

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DIODOS (SEMICONDUTORES)
Disciplina: Circuitos eletroeletrônicos aplicados (CCE0205)
Turma: 3012
Professor: Haroldo Giusti Lemos
Aluno: NIELSON DE OLIVEIRA MACHADO
Matrícula: 201502213231
Introdução
O diodo semicondutor é um componente que pode comportar-se como condutor ou isolante elétrico, dependendo da forma como a tensão é aplicada aos seus terminais. Essa característica permite que o diodo semicondutor possa ser utilizado em diversas aplicações, como, por exemplo, na transformação de corrente alternada em corrente contínua. Suas estruturas atômicas mais comuns são silício(Si) e o Germânio (Ge), que em estado puro apresenta-se na forma de um cristal, significando que seus átomos acham-se dispostos uniformemente em uma configuração rígida. Esses materiais são tetravalentes, ou seja, possuem 4 elétrons na órbita de valência, conforme a figura a seguir.
Na eletrônica, um dos componentes mais utilizados são os diodos semicondutores. Tais dispositivos tem por característica principal, deixar com que a corrente e seus terminais fluam de forma mais fácil em uma direção do que em outra.
Os diodos são amplamente utilizados em circuitos multiplicadores de tensão, ceifadores ou ainda em circuitos retificadores, responsáveis por converter uma tensão de entrada alternada em uma saída de tensão contínua.
Portanto, para o estudo da eletrônica, é de fundamental importância entender as características e o funcionamento dos dispositivos semicondutores denominados diodo, o qual o trabalho é direcionado.
 
 
Fundamentação Teórica
A matéria é formada por moléculas que podem ainda ser visualizadas, de forma microscópica, como a combinação entre átomos de um mesmo elemento químico ou entre átomos de elementos químicos diferentes e podem ser encontrados nos estados líquido, sólido e gasoso. Os átomos por sua vez, são constituídos por três partículas elementares: prótons, com carga positiva e nêutrons, eletricamente neutro, no núcleo de cada átomo, e com os elétrons, com carga negativa, circundando ao redor do núcleo através de sete orbitas ou camadas eletrônicas.
	
Figura 1: Estrutura do átomo.	Figura 2: Molécula de H2O.
Os átomos possuem carga neutra, pois o número de prótons e elétrons em sua estrutura são os mesmos, assim, um anula a carga do outro por possuírem carga com mesmo valor em módulo, porém com sinais contrários.
Um átomo pode conter no máximo oito elétrons na camada de valência, sendo este, considerado estável. Porém, os átomos podem também se transformar em íon negativo ou positivo, ganhando ou perdendo elétrons da camada de valência, respectivamente.
Os elétrons livres de um átomo são responsáveis pelo surgimento da corrente elétrica num determinado material. Logo se pode classificar os materiais em condutores, isolantes e semicondutores, conforme a estrutura do átomo que o compõe.
Nos materiais condutores, a camada de valência é composta, por no máximo três elétrons, pois estes necessitam de pouca energia para deixarem sua orbita. Já os materiais isolantes possuem entre 5 e 8 elétrons, sendo estes mais difíceis de se movimentarem ou deixarem sua orbita na estrutura atômica. Na intermediária, os materiais semicondutores possuem 4 elétrons na camada de valência, ficando a resistência desses elétrons entre a resistência dos elétrons dos materiais condutores e isolantes, por isso são denominados semicondutores.
Como os átomos dos materiais tendem a se estabilizar com oito elétrons na camada de valência, e os semicondutores possuem apenas quatro, os átomos dos materiais semicondutores são organizados de forma simétrica, caracterizando uma estrutura cristalina através de ligações covalentes.
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Figura 3: Estrutura Cristalina Semicondutor Silício.
Através da Figura 3, é possível notar que existe uma ligação covalente entre dois ou mais átomo de silício do material e que cada átomo externo possui alguns elétrons de valência para construção de uma nova ligação com outros átomos de silício.
Entretanto, é possível manipular a estrutura intrínseca dos semicondutores adicionando algumas impurezas, este processo é denominado dopagem e tem por característica
adicionar átomos de elementos que possuem três ou cinco elétrons na camada de valência, dependendo do tipo de material desejado.
Adicionar aos materiais semicondutores impurezas contendo 3 elétrons na camada de valência faz com que a estrutura ao se organizar, apresente uma lacuna entre as ligações, ou seja, surgirá uma lacuna em consequência da falta de elétron para completar o número de elétron necessário para que sejam feitas todas as ligações entre o átomo do material intrínseco e o átomo de impureza, que nesse caso é denominado impureza do tipo P.
Ga
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Ga
Si
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Si
Figura 4: Semicondutor com impurezas tipo P.
Os elementos químicos mais utilizados como impurezas na formação de um material do tipo P são: Alumínio (Al), Índio (In), Boro (B) ou o Gálio (Ga) que é utilizado no exemplo da Figura 4.
Ao contrário do que acontece quando é adicionado impurezas contendo 3 elétrons na camada de valência à estrutura cristalinas dos materiais semicondutores, adicionar impurezas com 5 elétrons na camada de valência ao semicondutor, faz com que a estrutura, ao se organizar, contenha um elétrons sobrando, ou seja, um elétron livre pois, quando todas as ligações são estabelecidas para que aconteça a estabilidade do material, o quinto elétron da impureza, denominada impureza do tipo N, não encontra um par para estabelecer uma ligação.
P
Si
Si
Si
Si
P
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Si
Si
Si
Si
Si
Si
Figura 5: Semicondutor com impurezas Tipo N.
Para formação de um material do tipo N, os elementos químicos utilizados são: Antimônio (Sb), Arsênio (As) e o Fósforo (P).
Ao adicionar impurezas na estrutura semicondutora de um material, este deixa de ser intrínseco passando a ser denotado como extrínseco de um determinado tipo.
Nos materiais extrínsecos do tipo N, existem mais elétrons do que lacunas, logo o primeiro é tido como portador majoritário e o segundo como portador minoritário. Nos materiais extrínsecos do tipo P, essas denominações são invertidas já que as lacunas estão em maior número em relação aos elétrons.
Basicamente, os diodos semicondutores são formados através da junção entre um material do tipo P com outro do tipo N, produzindo uma junção PN.
Ao conectar o material do tipo P com outro do tipo N, as lacunas e os elétrons próximos a junção tendem a se combinarem, formando então uma região denominada região de depleção, onde nesta, verifica-se a ausência de portadores livres.
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Figura 6: Junção PN.
Entretanto, pode-se analisar o funcionamento dos diodos semicondutores, a partir da sua estrutura interna formada pela junção PN aplicando entre seus terminais três tensões de formas diferentes denominadas: nenhuma polarização, polarização direta e polarização reversa.
Figura 7: Representação do diodo através da junção PN.	Figura 8: Diodo Ideal.
Ao aplicar uma tensão com valor zero sobre a junção PN nada vai mudar em relação a sua configuração inicial, portanto permanecerá como na Figura 6. Porém, aplicar uma tensão positiva sobre os terminais de uma junção PN, de forma que esta fique diretamente polarizada, ou seja, o terminal N do material seja associado ao potencial negativo faz com que os elétrons livres contidos no material do tipo N sejam afastados em direção à região de depleção, assim como as lacunas em relação ao terminal positivo da tensão aplicada sobre o material do tipo P, forçando por consequência que estas lacunas e elétrons sejam recombinados contribuindo para a diminuição da região de depleção, também denominada zona de depleção.
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Figura 9: Junção PN polarizada diretamente.
Analisando a Figura 9, nota-se que a região de depleção presente na junção PN é menor que aquela apresentada na Figura 6 pelo fato dos elétrons e lacunas serem forçados a se recombinarem, diminuindo essa região de resistência ao fluxo de corrente dos portadores majoritários, viabilizando assim um fluxo mais intenso dos mesmos.
Invertendo a polarização indicada na Figura 9, caracterizando uma polarização reversa, aumenta-se a zona de depleção, pois os elétrons livres e lacunas, neste caso, são atraídos pelos terminais da fonte, causando um aumento dessa região, responsável por dificultar o fluxo dos portadores majoritários à zero.
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Figura 10: Junção PN polarizada reversamente.
O fluxo de corrente ID no diodo pode ser ainda representado algebricamente pela seguinte equação:
	(1)
onde IS é a corrente de saturação reversa, K uma constante definida a partir do tipo de material constituinte do diodo, dada por 11.600/n, com n valendo 1 para o germânio e 2 para o silício e TK a temperatura em kelvin.
Portanto, como a corrente através do diodo depende do material utilizado, e esta cresce exponencialmente em relação ao aumento da tensão aplicada sobre os terminais do dispositivo, pode-se ainda representar seu funcionamento de forma gráfica.
Figura 11: Funcionamento dos diodos de Silício e Germânio. 
Nota-se que, para os diodos de silício, a tensão de polarização direta necessária para que o dispositivo chegue ao estado de máxima condução, é aproximadamente 0,7 volts. Porém, nos diodos de germânio essa tensão cai para valores próximos a 0,3 volts, ou seja, a partir desses valores de tensão, denominada tensão offset, a corrente através do diodo começa a se tornar perceptível, ou significante.
Contudo, mesmo possuindo um potencial de junção maior, os diodos de silício podem operar de forma eficaz em altas temperaturas e possuem maior resistência a tensão de pico inversa (PIV) sendo, portanto, mais utilizado em relação aos diodos de germânio.
Alguns diodos podem ainda operar sobre a região de polarização inversa, porém no geral, quando os diodos recebem uma tensão negativa suficientemente alta de polarização, a corrente aumenta rapidamente no sentido oposto ao da tensão positiva. O potencial responsável pela mudança repentina da corrente é denominado como potencial Zener e representado por VZ.
Entretanto, o aumento gradativo da tensão inversa sobre um diodo, faz com que a velocidade da corrente de portadores minoritários também aumente, portanto a energia cinética desses portadores aumentará a níveis propícios para que estes liberem através das colisões, outros portadores minoritários, aumentando desta forma a corrente de saturação inversa proveniente dos mesmos. Com isso, é possível projetar uma região de ruptura por avalanche, porém nesta região, o diodo pode apresentar mudança em seu funcionamento ou ainda pode ser danificado.
Existe ainda, alguns diodos específicos para funcionamento na região de polarização inversa, denominados diodo Zener. Estes diodos são projetados aumentando os níveis de dopagem nos materiais constituintes de sua estrutura a fim de diminuir o potencial Zener à níveis muito baixo de tensão negativa, determinando uma região Zener, que assim como a região de ruptura por avalanche, contribui para uma mudança repentina da corrente, porém de forma segura, sem alterar as características do componente.
Como a curva característica do diodo é não linear, as ferramentas matemáticas tornam o processo de análise, de tensão e corrente sobre o dispositivo, um pouco complexa (Equação 1).
Contudo, a análise de tensão e corrente sobre um diodo pode ser feita através da reta de carga traçada sobre a curva característica do dispositivo, determinando seu ponto de operação. O ponto de operação fornece tanto a tensão, quanto a corrente de operação do diodo.
 V	R
Figura 12: Circuito com diodo diretamente polarizado.
Para traçar a reta de carga do diodo da Figura 12, é necessário determinar dois pontos: o de tensão de corte e o de corrente de saturação do dispositivo. Logo, aplicar a Lei de kirchhoff ao circuito, obtém-se:
 
 
 
(2)
Assim, para determinar a tensão de corte e a corrente de saturação, basta anular, respectivamente, a corrente e a tensão sobre o diodo.
Portanto, com ID=0V, a tensão de corte e dada pela seguinte expressão:
 	(3)
Já a corrente de saturação é encontrada quando VD=0A, e pode ser calculada através da seguinte equação:
 
Figura 13: Desenhando a reta de carga determinando o ponto de operação.
(4)
Entretanto, traçar a reta de carga sobre a curva característica do diodo, faz da análise um processo linear, portanto mais simples.
Os circuitos contendo diodo podem ser analisados de forma aproximada, substituindo o diodo por componentes específicos a fim de obter uma análise simples e mais próxima da real quanto se deseja.
O método que apresenta maior semelhança com o funcionamento do dispositivo real é denominado modelo linear por partes, e consiste em aproximar a curva característica do diodo através de duas retas.
Figura 14: Modelo linear por partes.
Como a curva característica do diodo obedece ao comportamento de uma exponencial crescente, o resistor, no modelo da Figura 14, é responsável pela inclinação da curva do dispositivo e a fonte caracteriza a tensão limiar, ou potencial de junção, sendo que o diodo ideal apresentado nesta configuração corresponde ao sentido único de condução.
Quando a resistência do circuito é muito maior que a resistência apresentada pelo diodo, a resistência presente no modelo linear por partes pode ser desconsiderada, caracterizando um outro método, denominado modelo simplificado.
Figura 15: Modelo simplificado.
Entretanto, considerar o diodo em análise como sendo ideal, ou seja, conduz corrente somente quando diretamente polarizado, se comportando como uma chave aberta quando o mesmo encontrar-se reversamente polarizado é outra opção de aproximação, embora mais simples que as anteriores, é também a que menos se aproxima de um dispositivo real.
Figura 16: Modelo ideal.
Principais tipos de diodo:
Retificadores: São os diodos mais comuns, fabricados com o objetivo primordial de permitirem a passagem da corrente elétrica em um só sentido (polarização direta), cumprindo um papel indispensável na transformação de corrente alternada em corrente contínua. Possuem vários tamanhos e formatos, de acordo com a sua potência nominal.
Zener: São diodos fabricados para conduzir a corrente elétrica em sentido inverso (polarização inversa). Este efeito é chamado de "ruptura zener" e ocorre em um valor de tensão bastante preciso, permitindo que esse diodo seja utilizado com uma referência de tensão. São bastante empregados em circuitos reguladores de tensão em fontes de alimentação.
Varicaps: Todo diodo possui uma capacitância interna formada por suas duas regiões condutoras (tipo-p e tipo-n), as quais são separadas por uma região livre de cargas (região de depleção). A extensão dessa região de depleção depende da polarização do diodo: ela diminui quando o mesmo é polarizado diretamente e vice-versa. Com a variação das dimensões da região de depleção, varia-se a capacitância interna do diodo. Os varicaps são fabricados para aproveitarem essa característica, funcionando como capacitores variáveis, cuja capacitância é controlada pela tensão aplicada sobre o diodo. Tais componentes são bastante empregados em circuitos de sintonia de aparelhos televisores e de rádios, além de equipamentos transmissores.
Túnel: São dispositivos capazes de operar em altas frequências (micro-ondas), por meiode fenômenos de mecânica quântica (efeito de tunelamento). São fabricados utilizando junções PN estreitas e altamente dopadas. Podem ser utilizados em circuitos osciladores, amplificadores e conversores de frequência.
LEDs: São diodos semicondutores que, quando energizados, emitem luz. A luz não é monocromática (como em um laser), mas consiste de uma banda espectral relativamente estreita, sendo produzida pelas interações energéticas dos elétrons. O processo de emissão de luz pela aplicação de uma fonte de energia elétrica é chamado eletroluminescência. No silício e no germânio, que são os elementos básicos dos diodos e transistores, a maior parte da energia é liberada na forma de calor, sendo insignificante a luz emitida. Já em outros materiais, como o arseneto de gálio (GaAs) ou o fosfeto de gálio (GaP), o número de fótons de luz emitidos é suficiente para constituir fontes de luz bastante eficientes.
Abaixo encontram-se ilustrados os símbolos dos principais tipos de diodos:
Referências
	BOYLESTAD, Robert L.; NASHELSKY, Louis. Dispositivos eletrônicos e teoria de circuitos. 8. ed. São Paulo: Pearson Prentice Hall, 2004.
MALVINO, Albert Paul. Eletronica. 4.ed. Sao Paulo: Makron, c1997.
Química:	Átomos,	Moléculas,	Elementos	e	Compostos.	Disponível	em
<http://br.syvum.com/cgi/online/serve.cgi/materia/quimica/atomic2.html>.
STRYHALSKI,	JOEL.	Mundo	Físico:	Semicondutores.	Disponível	em
<http://www.mundofisico.joinville.udesc.br/index.php?idSecao=110&idSubSecao=&idTe xto=49>.
NIVALDO T. SCHIEFLER JR. Eletrônica Geral I: Diodos e Transistores. Disponível em
<http://www.joinville.ifsc.edu.br/~nivaldo/ELG%20I/Apostila_ELG_I.pdf>.	
<http://www.eletronicadidatica.com.br/componentes/diodo/diodo.htm