RELATÓRIO MATERIAIS ELÉTRICOS

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CENTRO UNIVERSITÁRIO INTERNACIONAL UNINTER
ESCOLA SUPERIOR POLITÉCNICA
BACHARELADO EM ENGENHARIA ELÉTRICA
DISCIPLINA: MATERIAIS ELÉTRICOS
PRINCIPIO DE FUNCIONAMENTO DO DIODO
 
 
 
 PROFESSOR: FILIPE NEVES SOUZA 
 
 
TERESINA-PI
2018
SUMÁRIO 
 
 
 
RESUMO....................................................................................................................................3 1 INTRODUCAO.......................................................................................................................4
1.1 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA........................................................................................4
1.2 OBJETIVOS.........................................................................................................................5
1.2.1OBJETIVO GERAL...........................................................................................................5
1.2.2 OBJETIVO ESPERCIFICO..............................................................................................5
2 SEMICINDUTORES....................................................................................................................6
2.1 MATERIAIS INTRÍSECOS E EXTRÍNSECOS.................................................................8
2.2 MATERIAS EXTRÍNSECOS TIPO N...............................................................................8
2.3 MATERIAS EXTRÍNSECOS TIPO P................................................................................9
3 DIODO..................................................................................................................................10
3.1 JUNÇÃO PN......................................................................................................................10
3.2 POLARIZAÇÃO DO DIODO...........................................................................................11
3.2.1 POLARIZAÇÃO DIRETA.............................................................................................11
3.2.2 POLARIZAÇÃO REVERSA.........................................................................................13
3.3 CURVAS...........................................................................................................................14
3.4 TIPOS DE DIODO...........................................................................................................16
3.5 APLICAÇÕES DO DIODO..............................................................................................19
 
4 CONCLUSÕES .............................................................................................................21 
 
5 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS...........................................................................22
 
 
 
 
 
RESUMO
	Este trabalho consiste em mostrar o princípio de funcionamento do Diodo. Falaremos dos elementos químicos que o compõem como: o germânio e o silício. Estes trazem consigo a função de conduzir corrente elétrica. Estudaremos também as formas de ondas do Diodo e as tensões que cada uma possui, bem como a sua estrutura molecular e dopagem dos elementos que são utilizados na fabricação deste componente eletrônico.
Palavras-chave: (Diodo, Germânio e silício, Dopagem e Condução de corrente elétrica)
Abstract:
	This work consists of showing the operating principle of the Diode. The chemical elements that make up the same are: germanium and silicon, which carry the function of conducting electric current; we will also study the diode waveforms and the tensions that each one has, as well as its molecular structure and doping of the elements that are used in the manufacture of this electronic component.
Keyword: (Diode, Germanium and silicon, Doping and Conduction of electric current)
1-INTRODUÇÃO
	A partir das descobertas de Thomas Edson, HeinrichHertz, William Hallwachs, e os alemães Elster e Geitel, no final dos anos 1800 e início dos anos 1900, surgiu em 1905 o primeiro elemento eletrônico de uso prático, inventado pelo físico inglês J.A. Fleming. O componente inventado por ele foi o diodo termiônico e foi utilizado para detectar sinais telegráficos na época, dando início à radio telegrafia que viria a revolucionar as comunicações. Neste contexto abordaremos detalhadamente o princípio de funcionamento deste dispositivo eletrônico que é o Diodo, e a sua importância para a eletrônica. 
1.1 FUNDAMENTAÇÕES TEÓRICAS
	Certamente, quando Faraday, coulomb, ampère, ohm, Edson e tantos outros iniciaram as primeiras experiências em eletricidade e construíram os primeiros aparelhos elétricos, sequer imaginavam as proporções e as mudanças que trariam a vida humana.
O engenheiro inglês J. Ambrose Fleming construiu em 1905 o primeiro diodo ou válvula diodo. Esse dispositivo é construído num invólucro de vidro "fechado a vácuo", tal como a lâmpada elétrica de filamento inventada por Edison, e contém dois elétrodos.
A válvula diodo é composta por duas placas metálicas, colocadas numa capsula de vidro em vácuo. Um filamento aquece uma das placas polarizada negativamente, denominado, catodo, gerando um fluxo de elétrons (corrente elétrica ) que atinge a segunda placa polarizada positivamente, denominada , anodo.( MARQUES, B e SALOMÃOS et al,2012).
Esta passagem de corrente eléctrica só acontece, se o sinal da carga no ânodo for positivo, pois a carga dos elétrons é negativa. Caso a carga do ânodo seja negativa não existe passagem de corrente eléctrica. A parti dai, nasce a eletrônica e trouxe também consigo a necessidade de criação de novos dispositivos para melhorar o desempenho dos circuitos. Neste contexto, Surgi então, o diodo semicondutor que substituiria as válvulas que já não eram tão eficientes.
Um semicondutor é um elemento de valência quatro. Isso significa que um átomo isolado desse material possui quatro elétrons na sua órbita mais externa ou órbita de valência. O número de elétrons na órbita de valência é a chave para a condutibilidade. (  MALVINO, Albert, 1995). 
1.2 OBJETIVOS
Os objetivos desse trabalho é entender o principio de funcionamento dos diodos e os tipos que existente no mercado atual. 
1.2.1 Objetivo geral
Buscamos compreender a química e o comportamento dos semicondutores para assim conseguirmos entender ,de fato, como um diodo funciona. 
1.2.2 Objetivos específicos
Analisar a estrutura molecular de um semicondutor
Comparar os tipos de matérias: material extrínseco tipo P e tipo N, 
Analisar a junção PN
Descrever como um semicondutor é capaz de conduzir corrente elétrica
2 SEMICONDUDORES
Antes de falarmos sobre o assunto –diodo- é necessário primeiro conhecer os matérias semicondutores, pois é através deles, que conseguiremos compreender a estrutura e o principio de funcionamento deste fantástico dispositivo eletrônico (diodo) que estudaremos mais adiante. 
Um semicondutor é um elemento de valência quatro. Isso significa que um átomo isolado desse material possui quatro elétrons na sua órbita mais externa ou órbita de valência. O número de elétrons na órbita de valência é a chave para a condutibilidade.( MALVINO, Albert1995) 
Existem vários tipos de semicondutores. Os mais conhecidos e mais utilizados são o Germânio e Silício. Estes dois materiais têm recebido a maior parcela de atenção no desenvolvimento de dispositivos a semicondutores. Nos últimos anos o uso do Silício tem aumentado muito, principalmente na fabricação de chips para microprocessadores. 
Analisando a estrutura do Silício e do Germânio observamos que os dois elementos possuem quatro elétrons na última camada (camada de valência).
 O potencial necessário para remover qualquer elétron da camada de valência é menor que o potencial para remover qualquer outro elétron da estrutura. Em um cristal de Silício ou Germânio puroestão ligados a quatro outros átomos vizinhos, conforme figura abaixo 
Tanto o Silício como o Germânio são denominados átomos tetravalentes, pois os dois possuem quatro elétrons na camada de valência. O tipo de ligação química que ocorre entre átomos de semicondutores é a ligação covalente. Na ligação covalente não há doação de elétrons de um átomo para o outro, como ocorre na ligação entre átomos de Sódio e de Cloro, que forma o sal (ligação iônica). As ligações covalentes são mais fracas que as ligações iônicas, o que favorece a liberação de elétrons livres, necessários para a circulação de corrente elétrica sendo, os semicondutores puros têm uma variação muito grande de sua resistividade com a variação da temperatura, luz ou qualquer outro tipo de energia irradiante e quanto maior for a temperatura maior será o numero de elétrons livres na camada de valência e nos metais isto acontece ao contrário.
 2.1 MATERIAIS INTRÍNSECOS E MATERIAIS EXTRÍNSECOS 
 	Um material semicondutor é chamado de intrínseco, quando este se encontra no seu estado natural e quando ele possui alguma impureza ele é chamado de material extrínseco. Semicondutores extrínsecos matérias dopados por algumas uma impureza para controlarmos as características elétricas do semicondutor. Os materiais extrínsecos possuem impurezas adicionadas de propósito, o que altera a sua estrutura atômica, alterando sua resistividade. Os materiais extrínsecos podem ser do tipo N ou do tipo P.
2.2 MATERIAL EXTRÍNSECO TIPO P 
Quando se realiza a dopagem com uma impureza do tipo trivalente (três elétrons de valência), como o Boro, Gálio e o Índio, ao cristal puro de um material semicondutor, o material resultante passa a ter um número insuficiente de elétrons para completar as ligações covalentes. Com esse procedimento surge vaga chamada de lacuna e é representada por um pequeno circulo ou sinal positivo, devido a ausência de carga negativa. Como a vaga resultante aceita facilmente um elétron livre, as impurezas acrescentadas são átomos receptores ou aceitadores. As lacunas são chamadas portadores majoritários de um material do tipo P, pois elas tendem a absorver elétrons livres, o que acaba definindo um número muito maior de lacunas que de elétrons livres no material do tipo P. Os elétrons livres eventualmente presentes em um material do tipo P são denominados portadores minoritários de carga.
 2.3 MATERIAL EXTRÍNSECO TIPO N 
O material tipo N é feito através da adição de átomos que possuem cinco elétrons na camada de valência (pentavalentes) como o Antimônio, Arsênico e o Fósforo. Com o acréscimo destes átomos ao material intrínseco o material resultante terá um elétron livre para cada átomo de material dopante. As impurezas com cinco elétrons na camada de valência são chamadas de impurezas doadoras. No material do tipo N, os portadores majoritários de carga são os elétrons (maior número), e os minoritários são as lacunas, o contrário do que ocorre para o material do tipo P.
3 DIODO
Principio de funcionamento
O que é e como funciona um Diodo de Junção?
Diodo de Junção é uma estrutura formada a partir de uma junção PN, que por sua vez é a estrutura básica que compõe os semicondutores, tais como os próprios diodos e os transistores. É o mais simples dos componentes eletrônicos, e, como veremos abaixo, pode servir como um isolante ou condutor, dependendo de sua polarização.
3.1 Junções PN
O diodo é formado por uma junção entre um cristal tipo P (lado positivo – também chamado de ânodo) e outro tipo N (lado negativo – também chamado de cátodo). Dentro desses cristais, compostos por Silício (mais comum) ou Germânio serão inseridas impurezas (prática chamada de dopagem), que nada mais são do que átomos de Boro. A escolha por este elemento decorre do fato de que por ele ser impuro, um trivalente, no lado P sempre irá haver uma lacuna, ou seja, ficará faltando 1 elétron para completar 8 e estabilizar o semicondutor. Já no lado N ocorre o inverso: Preenchido com Silício (ou Germânio) e com Fósforo, esse cristal irá sempre ter 1 elétron a mais, já que o fósforo possui 5 elétrons na última camada, restando 1 após a ligação covalente.
Embora os cristais separados não tenham muita representatividade, quando ligados entre si a mágica acontece. Ao juntarem-se, as lacunas do lado P atraem o elétron que está sobrando no lado N, equilibrando o diodo, já que, segundo as leis da física, cargas opostas atraem-se. Tal ato chama-se recombinação. No entanto, é preciso ressaltar que este alargamento só é feito no centro, onde as forças de atração são mais fortes. Naquela área, todos ficarão com 8 elétrons na última camada, ficando estáveis quimicamente. Os mais distantes, porém, não sofrem a recombinação. Esta zona de estabilidade pode ser chamada de camada de depleção, ou, barreira de potencial.
3.2 POLARIZAÇÃO DO DIODO
3.2.1 Polarização direta
Outra forma em que pode ser encontrado o diodo é através da junção PN polarizada diretamente. Esse ligará o polo positivo da bateria com o lado positivo do diodo e o negativo com o negativo. Assim, na prática, haverá uma repulsão da corrente e dos elétrons presentes no diodo. Com tal fenômeno os mesmos irão se afastar das extremidades, aproximando-se do centro e diminuindo a zona de depleção. Quanto maior a carga elétrica aplicada, maior a repulsa e o afastamento e menor a zona de depleção, até chegar ao ponto em que ela inexiste e os elétrons estarão livres para recombinarem-se (cerca de 0,7 volts para diodos de silício e 0,3 para os de germânio). Isso ocorrerá tanto no sentido real como convencional da corrente.
Veja como a carga vai aumentando e, a camada de depleção vai inversamente e proporcionalmente ate sumir
3.2.2 Polarização reversa
Para ser usada, a junção pode ser polarizada reversamente, que será quando a corrente sairá do polo negativo da bateria e entrará no cristal P (lado positivo) e sairá na ponta do cristal N (lado negativo), indo para a ponta positiva da bateria. Com esse método acontecerá a mesma atração de opostos que vimos acima: A corrente que sairá do lado negativo da bateria vai atrair as lacunas do lado positivo do diodo, e a corrente elétrica do polo positivo da bateria vai atrair os elétrons em excesso do lado negativo do diodo. Com este processo as respectivas cargas concentrar-se-ão nos extremos do diodo, criando uma enorme camada de depleção, fazendo com que a corrente elétrica não consiga circular por ele. Por isso que um diodo polarizado reversamente não conduz energia.
3.3 Curvas V/I
Independentemente do tipo de diodo utilizado, podemos ver como ele se comporta ao analisarmos a curva V/I projetada no gráfico. Por exemplo, no caso da polarização direta, podemos ver que o diodo real começa a subir apenas 0,4 ou 0,5 volts, “subindo” plenamente quando chega na casa dos 0,7 (se for de silício). Já no Ideal, a curva não é bem uma curva, e sim uma coluna, já que ele, por ser perfeito, conduz a partir de 0,000000...1 volts.
Diodo Real - note os pontos de subida e de avalanche
Já ao analisarmos a curva no caso de uma polarização reversa veremos que o Real só irá mostrar sinais de declínio quando bater na casa dos 700 volts. Esse será o ponto chamado de Tensão de Ruptura (VBr), ou seja, o limite até o qual ele consegue segurar corrente. Quando chegar aqui o diodo receberá uma forte descarga e em questão de microssegundos (esse processo chama-se Avalanche) queimará. Por outro lado, o diodo ideal, por ser perfeito, alcançaria infinita tensão, ou seja, poderia cair um raio e entrar no diodo que não sairia na outra ponta.
Diodo Ideal - Note que não ha ponto de queda e o ponto de subida é praticamente instantâneo
3.4 Tipos de diodos
Existem diversos tipos de diodos, entre eles podemos citar:
Diodo Varicap: Possui uma capacidade variável em função da tensão aplicada a ele. Seu uso é basicamente para servir como condensadores variáveis cuja capacitância altera-se de acordo com a tensão aplicada.Fotodiodo: Assim como uma junção PN pode emitir luz quando é percorrida por uma corrente (transformando-se em um LED, como vimos acima), o processo contrário também é possível, ou seja, a luz pode gerar corrente elétrica quando passar por uma junção desse tipo. O fotodiodo precisa trabalhar com polarização inversa e, por sua vez, subdivide-se em fotovoltaico e fotocondutor.
O primeiro deles é aquele em que a tensão gerada é muito baixa, e comumente faz-se necessário o uso de um amplificador operacional, diferencia-se também por serem os pulsos de saída invertidos em relação aos pulsos de entrada;
 
Fotodiodo fotovoltaico
Já no segundo, o fotodiodo é polarizado por um potencial de uma fonte externa.
Fotodiodo fotocondutor
Diodo Schottky: Construído em 3 camadas, sendo que a primeira tema  menor dopagem, sua principal característica é ser construído com um metal ao invés de um material semicondutor tipo P. Por causa disso não haverá lacunas que possam ser preenchidas com elétrons excedentes vindos dos outros materiais durante a corrente direta. Uma de suas vantagens é que por não haver recombinação de cargas do diodo de junção, o tempo de recuperação será menor, além disso, a sua densidade de corrente é maior, o que acarreta, em relação ao diodo de junção comum, uma queda de tensão direta. Como ônus, esse tipo de diodo possui uma corrente inversa maior, o que pode impedir o seu uso em alguns tipos de circuitos. Atualmente, seu principal uso se dá em circuitos de alta frequência, de alta velocidade de comutação.
Diodos Túnel: Pouco utilizados hoje em dia, caracterizam-se por serem diodos com elevadas taxas de impurezas em ambas as camadas. Como consequência direta disso teremos uma região de depleção muito estreita (apenas alguns átomos de espessura), e, com essa proximidade, o efeito túnel. Na prática significa dizer que haverá resistência negativa, ou seja, a corrente diminui de acordo com o aumento da tensão. Essa característica de resistência negativa constitui-se como uma vantagem, já que com tamanha dopagem, a maior parte dos portadores serão lacunas, e que, consequentemente, poderão aceitar muitos elétrons, e com isso, aguentar frequências elevadas. Isso é particularmente apreciado em alguns processos, como na construção de osciladores, por exemplo. Como ponto negativo: baixa potência e custo mais elevado para o fábrico.
Diodo Gunn: Por ser construído apenas com o “lado” N possui a capacidade de ser usado como um potente oscilador local, onde cobre as frequências de microondas que variam de 1Ghz até mais de 100Ghz. Importante dizer que ele também possui características de resistência negativa.
3.5 Aplicações do Diodo
Entre as principais aplicações do diodo, podemos citar:
Em tudo que envolvemos energia elétrica estamos inevitavelmente envolvendo risco de danos, isso serve tanto para um controle remoto, um eletrodoméstico, etc. Porém, o Diodo de Junção é utilizado para minimizar os riscos de estrago nos aparelhos. Funciona assim: Como vimos anteriormente, ao colocarmos um deles em um componente e fazermos as respectivas ligações, teremos um lado que passa corrente, e um outro que corta a corrente. Assim, utilizando o lado que não deixa passar eletricidade podemos, por exemplo, evitar o dano de uma pilha colocada ao contrário no controle remoto.
Uma outra aplicação do diodo, e talvez uma das mais importantes, é a transformação de corrente alternada (AC) em corrente contínua (CC), em um processo que é conhecido como “Retificação”. Esse processo faz-se necessário pelo fato de que a energia que sai das nossas tomadas é alternada e a grande maioria dos nossos eletrodomésticos funcionam em corrente contínua. Dessa forma, dentro do nosso equipamento será feita uma conversão por meio do diodo, fazendo com que todos funcionem certinho e sem maiores riscos.
Os diodos ainda podem ser usados como Led’s. Porém, para que este processo ocorra e eles passem a emitir luz, terão de ter uma polarização e uma composição química um pouco diferente. Na prática a luz é emitida após a corrente passar por ele e gerar uma radiação luminosa. Dessa forma o diodo pode estar presente em praticamente todos os cantos, desde semáforos até a luzinha do controle remoto (gerando o sinal infravermelho que passa instruções ao eletrônico e que não enxergamos).
Em uma última aplicação bem usual do diodo podemos citar a queda de tensão que ele força a ocorrer. Por exemplo, se tivermos uma corrente de 10 volts e nosso componente suportar apensa 7 volts, poderemos usar alguns diodos para impelir uma queda de tensão. Neste caso usaríamos, por exemplo, 5 diodos. A conta é feita da seguinte maneira: Como dissemos anteriormente, a resistência do diodo de junção composto de silício é de 0,7 volts. Nesse caso, se colocássemos 5 deles, conseguiríamos gerar uma resistência de 3,5 voltas, fazendo a tensão cair de 10 para 6,5 volts.
4 CONCLUSÃO
Conseguimos através dos estudos e analises da química dos semicondutores, chegar ao entendimento do principio de funcionamento desse fantástico dispositivo que é o diodo semicondutor. Vimos que para o silício e o germânio conduzir corrente, é necessário que eles sejam dopados com impurezas de outros elementos químicos. Portanto sem essas dopagens não existiria a possibilidade eficaz de condução de eletricidade.
Vimos também que o diodo tem grande importância para o mudo da eletrônica, e que existe vários tipos. O diodo mais utilizado, sem sobra de duvida, no mundo da eletrônica é o diodo retificador! Isso é facilmente explicado visto que ele atende a maioria das aplicações utilizadas em projetos eletrônicos. Vale lembrar que a principal característica de um diodo é permitir a passagem da corrente elétrica em apenas um sentido. Nos diodos a corrente flui do anodo(+) para o catodo(-).
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5 REFERÊNCIAS
Malvino, Albert Paul;Eletrônica;Vol.1;Editora Makron Books;4ª Edição; São Paulo-SP;1995.
Marques, Ângelo Eduardo B, Salomão, Choueri Junior/ dispositivos semicondutores: diodos e transistores. 13 ed.rev.-são Paulo: Érica 2012.
Cruz, Eduardo Cesar Alves; Salomão , houeri junior/eletrônica aplicada, 2 ed.-são Paulo: Érica, 2008.