P - ATIVIDADE PRÁTICA DE MATERIAIS ELÉTRICOS

Prévia do material em texto

0 
 
 
 
 
 
 
 
CENTRO UNIVERSITÁRIO INTERNACIONAL UNINTER 
ESCOLA SUPERIOR POLITÉCNICA 
BACHARELADO EM ENGENHARIA 
ELÉTRICA/ELETRONICA DISCIPLINA DE MATERIAIS 
ELÉTRICOS – CONCEITOS APLICADOS À ENGENHARIA 
 
 
 
 
 
PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DOS DIODOS 
 
 
 
 
 
ALUNO------------------------------------ 
PROFª.: ------------------------------------ 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
------- 
2020
 
 
1 
 
 
SUMÁRIO 
RESUMO ............................................................................................................................................... 2 
1 INTRODUCAO ............................................................................................................................................ 3 
2 PRINCIPIO DE FUNCIONAMENTO DO DIODO ............................................................................. 3 
3 PRINCIPIO DO FUNCIONAMENTO DO DIODO EMISSOR DE LUZ (LED) ................................ 4 
4 MATERIAIS UTILIZADOS (CONTRUÇÃO E DOPAGENS) ........................................................... 5 
5 JUNÇÃO PN ......................................................................................................................................... 5 
6 OUTROS TIPOS DE DIODOS E SUAS PRINCIPAIS APLICAÇÕES .............................................. 6 
7 CONCLUSÕES ............................................................................................................................................ 7 
8 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS .................................................................................................. 7 
 
 
2 
 
RESUMO 
 
 
Este trabalho tem por finalizada estudar o princípio de funcionamento dos diodos de 
forma geral e suas aplicações, onde podemos observar que o diodo semicondutor é um compo- 
nente eletrônico composto de um cristal semicondutor numa película cristalina cujas faces opos- 
tas são formadas por diferentes materiais, o que causa a polarização de cada uma das extremi- 
dades. O diodo é um dos mais simples dispositivos semicondutores, que tem por característica 
a passagem de corrente elétrica em apenas um sentido, ao contrário de um resistor, um diodo 
não se comporta linearmente com respeito à tensão aplicada. Sabe-se que a maioria dos equi- 
pamentos eletroeletrônicos funcionam em parte do circuito, com corrente contínua e que a ten- 
são da rede de transmissão é alternada, por isso, o uso dos diodos torna-se essencial para fazer 
esse tipo de conversão. 
 
Palavras-chave: Diodo, Semicondutor, Retificadores. 
 
 
 
3 
 
1 INTRODUCAO 
 
Os diodos são componentes eletrônicos semicondutores largamente utilizados em cir- 
cuitos eletrônicos. Entre os principais tipos de diodos estão o diodo retificador (diodo comum), 
o diodo emissor de luz (LED) e o diodo zener. Sua principal propriedade é permitir a passagem 
de corrente em apenas um sentido e retificar sinais elétricos. 
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, 
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. No 
entanto, é preciso ressaltar que isso acontece no centro, onde as forças de atração são mais 
fortes. 
 
 
2 PRINCIPIO DE FUNCIONAMENTO DO DIODO 
 
O diodo é um dispositivo de dois terminais possibilitando a aplicação de uma tensão de 
duas formas: polarização direta e polarização reversa. Na polarização direta o anodo e o catodo 
do diodo devem ser conectados no terminal positivo e negativo da bateria respectivamente. O 
diodo passa ser um condutor quando polarizado diretamente, pois a região de depleção entre os 
dois tipos de material é eliminada devido à diferença de potencial da bateria. A ausência dessa 
camada possibilita a circulação dos portadores livres, permitindo a circulação de uma corrente 
elétrica. O diodo nessa situação é considerado uma chave fechada N a polarização reversa o 
anodo e o catodo do diodo estão conectados no terminal negativo e positivo da bateria respec- 
tivamente, ou seja, uma diferença de potencial negativa entre o anodo e catodo é aplicada. Nessa 
condição a região de depleção é aumentada, devido à aplicação da tensão reversa em seus ter- 
minais, impedindo a circulação de portadores livres na junção. Nessa polarização não há uma 
 
 
4 
 
circulação de corrente elétrica expressiva, o diodo é considerado uma chave aberta. Porém, 
mesmo nessas condições o dispositivo apresenta uma pequena circulação de corrente sendo 
caracterizada como uma corrente de fuga, geralmente da ordem de nA e uA. 
 
3 PRINCIPIO DO FUNCIONAMENTO DO DIODO EMISSOR DE LUZ (LED) 
 
Os diodos emissores de luz também conhecidos por LED não são apenas fontes impor- 
tantes de luz para os circuitos eletrônicos. Suas características semelhantes às de um diodo se- 
micondutor possibilitam a aplicação desses componentes em funções diversas. A palavra LED 
é a abreviação de Light Emitting Diode e seu princípio de funcionamento pode ser entendido 
através de uma análise do que ocorre com a estrutura quando uma corrente elétrica a percorre. 
Nesta estrutura temos uma junção P N. Quando uma corrente atravessa a junção o pro- 
cesso de recombinação dos portadores de carga faz com que ocorra um estímulo e emissão que 
se concentra na faixa do infravermelho. Podemos observar que nessa radiação é que, em lugar 
de sua frequência ser aleatória, como no caso da lâmpada incandescente que se espalha pelo 
espectro, ela tem uma frequência muito bem definida, que depende do tipo de material usado 
no semicondutor. Para os diodos comuns de silício, onde foi descoberto, o fenômeno, a inten- 
sidade de radiação emitida é muito pequena e não há utilidade para ela. No entanto, descobriu- 
se também que se fossem usados outros semicondutores e ainda fossem acrescentados dopantes 
especiais era possível emitir luz com maior intensidade e em diversas faixas. Os primeiros dio- 
dos emissores de luz criados foram de um material denominado arseneto de gálio e arseneto de 
gálio com índio emitindo radiação na faixa dos infravermelhos. Depois foi a criação de materi- 
ais capazes de emitir radiação com comprimentos de onda cada vez menores até cair na parte 
do espectro visível. Após surgiram os primeiros LEDs capazes de emitir luz no espectro visível, 
na região do vermelho. Tecnicamente falamos que o LED é um diodo semicondutor que quando 
energizado emite luz, mas não uma luz como estamos acostumados, ou luz a laser, é uma luz 
estreita que é produzida pelas interações energéticas do elétron. O processo é chamado de ele- 
troluminescência. É muito importante para fixar a ideia do LED, entende o funcionamento da 
junção PN de um semicondutor, que corrente positiva. 
 
 
 
 
 
 
 
5 
 
4 MATERIAIS UTILIZADOS (CONTRUÇÃO E DOPAGENS) 
 
A dopagem no diodo é feita pela introdução de elementos dentro de cristais tetravalen- 
tes, normalmente feitos de silício e germânio. Dopando esses cristais com elementos trivalentes, 
obterá 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 principalmenteo ele- 
mento índio. Dopando os cristais tetravalentes com elementos penta valentes, obter-se-á átomos 
neutralizados (com oito elétrons na camada de Valencia) e um elétrons excedente (cristal N). 
Para a formação do cristal N, utiliza-se principalmente o elemento fósforo. Quanto 
maior a intensidade da dopagem, maior será a condutibilidade dos cristais, pois suas estruturas 
apresentarão um número maior de portadores livres (lacunas e elétrons livres) e poucas impu- 
rezas que impedem a condução da corrente elétrica. Outro fator que influencia na condução 
desses materiais é a temperatura. Quanto maior for sua temperatura, maior será a condutibili- 
dade pelo fato de que a energia térmica ter a capacidade de quebrar algumas ligações covalentes 
da estrutura se desfaçam, acarretando no aparecimento de mais portadores livres para a condu- 
ção de veículo embriagado. 
Após dopadas, cada face dos dois tipos de cristais(P e N)terá uma determinada caracte- 
rística diferente da oposta, gerando regiões de condução do cristal, uma com excesso de elé- 
trons, outra com falta destes (lacunas), e entre ambas, haverá uma região de equilíbrio por re- 
combinação de cargas positivas e negativas, chamada de região de depleção(à qual possui uma 
barreira de potencial). 
 
5 JUNÇÃO PN 
 
Devido a tendência de transformar-se em uma estrutura simétrica, um material semicon- 
dutor quase não possui elétrons livres. 
Para se utilizar efetivamente os materiais semicondutores, são introduzidos elementos 
adicionais, nas estruturas cristalinas denominadas “impurezas”, através de processos de injeção 
ou difusão. 
Estas impurezas são elementos cujos átomos possuem três ou cinco elétrons na camada 
de valência. Estas impurezas são introduzidas dentro do material semicondutor em pequenas 
quantidades. 
A tendência de formar uma estrutura simétrica faz com que os átomos de “impurezas” 
se acomodem de tal maneira que produzam elétrons livres, portanto que podem ser deslocados 
com facilidade (o quinto elétron de cada átomo da impureza). Ou a falta de elétrons no caso da 
 
 
6 
 
adição de elementos com três elétrons na última camada. 
Ao realizar a dopagem do material semicondutor (Silício ou Germânio) através da in- 
trodução de impurezas com três elétrons na camada de valência como o 561 Alumínio, o Índio, 
o Boro ou o Gálio, temos a formação de ligação covalente entre o material semicondutor e a 
impureza. Ao introduzirmos um elemento deste tipo, numa das ligações faltará um elétron, pois 
o elemento contribuiu com apenas três elétrons. Esta falta de elétrons comporta-se como um 
material apto a receber elétrons (material com carga positiva), sendo assim este pode receber 
um elétron de outra união. 
Ao associarmos um elemento com cinco elétrons na última camada como o Antimônio, 
o Fósforo, ou Arsênio, ao material semicondutor, os mesmos irão formar ligações covalentes, 
porém haverá um elétron, que poderá mover-se pela estrutura com maior facilidade, está for- 
mado o material com carga negativa. 
 
6 OUTROS TIPOS DE DIODOS E SUAS PRINCIPAIS APLICAÇÕES 
 
Retificadores: são os diodos mais comuns, fabricados com o objetivo primordial de per- 
mitirem a passagem da corrente elétrica em um só sentido, cumprindo um papel indispensável 
na transformação de corrente alternada em corrente continua, possuem vários tamanhos e for- 
matos, de acordo com sua potência nominal. São usados para conversão de sinais, de AC para 
CC, ocorre em meia onde ou em onda completa, pode também ser utilizado como um diodo 
para qualquer aplicação que se necessita a passagem da corrente em apenas um sentido. 
Zener: São diodos fabricados para conduzir a corrente elétrica em sentido inverso, este 
efeito é chamado de “ruptura zener” e ocorre em um valor de tensão bastante preciso, permi- 
tindo que esse diodo seja utilizado com uma referência de tensão. São bastantes 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. 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, va- 
ria-se a capacitância interna do diodo. Os varicaps são fabricados para aproveitarem essas ca- 
racterísticas, funcionando como capacitores variáveis, cuja capacitância é controlada pela ten- 
são aplicada sobre o diodo. Os componentes são bastantes empregados em circuitos de sintonia 
de aparelhos televisores e rádios, além de equipamentos transmissores. 
Túnel: São dispositivos capazes de operar em altas frequências, por meio de fenômenos 
de mecânica quântica, são fabricados utilizando junções PN estruturas e altamente dopadas. 
 
 
7 
 
Podendo ser utilizados em circuitos osciladores, amplificadores e conversores de frequência. 
 
 
7 CONCLUSÕES 
 
Podemos observar neste estudo que o circuito para retificar tensão usando diodo é simples. 
A configuração de retificador onda completa aproveita melhor a energia, no entanto, não se 
pode ignorar o retificador de meia onda, pois ele usa menos componentes e ocupa menos espaço 
numa placa e tem um custo menor. Contudo, o diodo sozinho não consegue realmente tornar a 
forma da onda do sinal reta, ele necessita de outros componentes, como o capacitor para ter 
menor variação de tensão. 
Observou-se também que o LED, ao receber energia de uma fonte, emite uma luz visível, 
e a intensidade dessa luz varia de maneira diretamente proporcional a tensão exercida sobre ele. 
8 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 
Livros: 
Dispositivos Semicondutores. Hilton A. Mello / Edmond Intrator. 4 Edição 
Internet 
http://eletronicadepotenciai.blogspot.com/2013/02/aula-01-diodo-de-potencia.html 
http://professorpetry.com.br/Ensino/Repositorio/Docencia_UFSC/Eletricidade_Ba- 
 
http://www.feg.unesp.br/Home/PaginasPessoais/ProfMarceloWendling/2---diodo-semicondu- 
 
http://www.eletronicadidatica.com.br/componentes/diodo/diodo.htm 
http://eletronicadepotenciai.blogspot.com/2013/02/aula-01-diodo-de-potencia.html
http://professorpetry.com.br/Ensino/Repositorio/Docencia_UFSC/Eletricidade_Ba-
http://www.feg.unesp.br/Home/PaginasPessoais/ProfMarceloWendling/2---diodo-semicondu-
http://www.eletronicadidatica.com.br/componentes/diodo/diodo.htm