Díodo

O diodo convencional é composto por dois blocos de material semicondutor um do tipo N outro do tipo P.
A sua sua representação esquemática é a seguinte:

Características de um Díodo

O díodo é um componente electrónico fundamental que tem como característica mais importante, permitir que a corrente circule apenas num sentido.

Quando o díodo está polarizado directamente, conduz e permite circular a corrente.

Se está polarizado inversamente não permite circular corrente.

Polarizacão inversa A lâmpada não acende

Polarização directa A lâmpada acende

Podemos comparar um díodo a uma válvula hidráulica que possibilite passar a água num sentido e impedindo no sentido contrário.

Barreira de Potencial

A região próxima da superfície de separação torna-se deficiente de lacunas do lado P da junção, e deficiente de electrões do lado N. O resultado final é uma acumulação de cargas positivas do lado N da junção,e de cargas negativas do lado P. Estas cargas são constituídas por iões positivos e negativos. Quando o dipolo formado por estas duas cargas atinge alguns décimos de volt., os electrões do lado N não conseguem passar para o lado P por serem repelidos pela barreira de iões negativos. Do mesmo modo as lacunas do lado P não conseguem passar para o lado N por serem repelidas pelos iões positivos. A barreira que ocupa o espaço contíguo junção e se opõe aos deslocamentos das cargas de um e para o outro lado da junção é designada por barreira de potencial, a zona onde surge esta barreira denomina-se zona de depleção.

Para saber a polaridade do díodo, no díodo tem uma marca de uma flecha que indica a extremidade correspondente ao cátodo.

Comprovador de díodos

 Utilização prática dos diversos Díodos:

Rectificação

Simbologia Díodos 

Díodo Rectificador		Diodo Zener
Diodo varicap		Diodo túnel
Diodo Schottky		Diodo com característica dependente da temperatura
Fotodíodo		Diodo emissor de luz (LED)
Diodos Gunn		Diodo PIN

O díodo - Características e aplicações

INTRODUÇÃO TEÓRICA

1.1 Principio de funcionamento - Características de um díodo

Um díodo é um dispositivo constituído por uma junção de dois materiais semicondutores (em geral silício ou germânio dopados), um do tipo n e o outro do tipo p, ou de um material semicondutor e de um metal, sendo usualmente representado pelo símbolo da Figura 1. Aos terminais A e K dão-se respectivamente os nomes de Ânodo e Cátodo.

Figura 1: Símbolo do díodo.

Este dispositivo permite a passagem de corrente, com facilidade, num sentido, e oferece uma grande resistência à sua passagem no sentido contrário.

Assim, quando o Ânodo (A) estiver a um potencial positivo em relação ao Cátodo (K), o díodo conduz e a corrente terá o sentido (convencional) indicado pela seta. Nestas condições diz-se que

o díodo está directamente polarizado. Quando o Ânodo estiver a um potencial negativo em relação ao Cátodo, o díodo não conduz e a corrente, que teria o sentido contrário ao da seta, não é autorizada a passar. Nestas condições diz-se que o díodo está inversamente polarizado.

Figura 2: Característica I(V) de um díodo de silício. Note-se as escalas diferentes no 1º e 3º quadrantes.

A origem destas designações deve-se ao facto de este dispositivo ter um comportamento semelhante aos do díodos termoiónicos (válvula díodo), cujos terminais recebem estes nomes.

Na Figura 2 pode ver-se um gráfico típico da corrente no díodo em função da tensão nos seus terminais, que resulta do comportamento físico da junção p-n. A tensão e a corrente são consideradas positivas quando o dispositivo se encontra directamente polarizado. A variação da corrente do díodo semicondutor com a tensão aos seus terminais tem uma forma quase exponencial: em boa aproximação a corrente I é dada por:

onde q é a carga do electrão,(≈ 1,6 10^-19 C) V a tensão aos terminais do díodo, k a constante de Boltzman (≈ 1,38 10^-23 J /K), T a temperatura absoluta e Is uma constante designada por corrente de saturação. À temperatura ambiente (300 K) tem-se:

Este comportamento pode ser aproximado, em certas aplicações, pelo de um díodo ideal ou por uma característica linearizada (ver Figura 3).

Figura 3: Curvas características e correspondentes modelos eléctricos do díodo. Da esquerda para a direita: díodo ideal; díodo com comportamento ideal mas com uma tensão limiar de condução; díodo com característica linearizada. (V D - tensão limiar de condução, RD - resistência de condução directa).

Polarização Diodo

Polarização no sentido directo

Consideremos a aplicação de uma diferença de potencial às extremidades do conjunto PN, de modo que o lado P da junção fique ligado ao polo positivo, e o lado N ao polo negativo. O estabelecimento deste campo eléctrico tende a diminuir o efeito da barreira de potencial ou até a anulá-la. Do lado N o polo negativo da fonte repele os electrões de N para P com uma força maior do que a exercida pela barreira de potencial que os mantinha em N. Do mesmo modo as lacunas deslocam- se mais facilmente de P para N: a junção torna-se passante.

Um miliamperímetro instalado no circuito indicará uma corrente de P para N (sentido convencional).

Para tornar a junção passante é preciso anular a barreira de potencial. É por conseguinte necessário aplicar aos terminais da junção, uma tensão suficiente para chegar a este resultado. Algumas junções de germânio necessitam de um mínimo de 0,1 ou 0,2 Volt para se tornarem passantes. As junções de silício só se tornam passantes a partir de 0,6V.

Polarização no sentido inverso

Liguemos agora o terminal positivo da fonte exterior à extremidade N do conjunto PN. Este sentido de ligação reforça a barreira de potencial.Os electrões livres da região N e as lacunas da região P, isto é, os portadores principais, passam a ter ainda maior dificuldade em atravessar a junção. Diz-se então que a junção está bloqueada.

No entanto, alguns portadores minoritários conseguem passar através da junção. Uma vez passada a junção o seu movimento é facilitado, por um lado pelas cargas principais que constituem a barreira de potencial, e por outro, pelos potenciais aplicados nas extremidades. A corrente devida aos portadores minoritários pode ser evidenciada através de um microamperimetro, intercalado no circuito exterior. A corrente, de sentido convencional, passa de N para P.

Efeito Zener - Efeito Avalanche

A tensão inversa aplicada às extremidades de uma junção PN não pode ser aumentada indefinidamente. Com efeito, o aumento da d.d.p.(diferença de potencial) no sentido inverso provoca uma aceleração dos portadores minoritários. A partir de uma certa tensão inversa os portadores secundários adquirem uma velocidade suficiente para arrancarem por choques electrões aos átomos. O fenómeno é cumulativo e provoca um rápido decréscimo da resistividade. Este efeito é utilizado em um tipo especial e díodos para regular a tensão diodo zener.

1.2 Tipos de díodos

Existem actualmente diferentes tipos de díodos que, apesar de apresentarem características eléctricas semelhantes, tem-nas adaptadas à execução de determinadas funções. O símbolo introduzido anteriormente (Figura 1) representa o díodo normalmente utilizado para rectificação (transformação de corrente bidireccional em corrente unidirecional) e processamento de sinal nela baseado. Pretende-se que a sua zona de avalanche esteja suficientemente afastada para nunca ser atingida, e que a sua corrente de fuga inversa seja desprezável.

Além destes, outros tipos de díodos utilizados usualmente são:

Díodo Zener

Funciona na zona de avalanche, e é utilizado como referência de tensão (a tensão varia pouco com a corrente nessa zona).

Varistor ou varicap

Todos os díodos apresentam uma capacidade que é variável com a tensão aplicada. Os varistores são díodos especialmente desenhados para se obter uma capacidade fortemente dependente da tensão. São usados em osciladores cuja frequência é controlada por tensão (VCO).

Fotodíodo

Quando a zona da junção recebe luz, geram-se pares de portadores de carga (electrão-vazio) que geram uma tensão ou uma corrente no dispositivo. Existe, assim, conversão opto-electrónica. Estes dispositivos são utilizados como detectores de luz, nas mais diversas aplicações.

LED

Para certos tipos de materiais semicondutores, quando é injectada uma corrente na junção do díodo, é gerada radiação electromagnética na zona do visível ou infravermelho próximo (conversão electro-óptica). Existem componentes em que vários LED estão dispostos sob a forma de traços ou pontos numa matriz, permitindo a apresentação de algarismos e letras (displays).

1.3 Determinação da característica (I, V) de um díodo

O díodo é um componente não-linear. Assim, o cálculo da corrente que atravessa um circuito com um díodo torna-se um pouco mais complicado que no caso de circuitos lineares. A título de exemplo, vamos determinar a corrente no circuito indicado na figura.

Se o díodo estiver bem dentro da zona de condução, a sua tensão é aproximadamente constante, neste caso ~0.65V (ver na secção 1.1 as características aproximadas de um díodo). Assim, podemos substituir o díodo, nos cálculos, por uma fonte de tensão de 0,7 V (VD=0,7 V), e tratar o circuito como um circuito linear, obtendo-se a equação:

Este processo simplificado, útil em muitas situações, não pode ser utilizado quando se pretenda um rigor mais elevado, ou quando o díodo não esteja em condução franca. Para estas situação, dispõe-se de duas equações: a que define a característica do díodo (equação (1)) e a que resulta das equações de Kirchoff:

Estas duas equações permitem-nos determinar o ponto de funcionamento. A solução é laboriosa em virtude de envolver uma equação transcendente (pressupõe-se o conhecimento da equação V(I) para o díodo em consideração):

No entanto, a solução pode achar-se facilmente Esta última equação pode ser resolvida de forma gráfica se dispusermos da curva característica do díodo:
1º membro: curva característica I_díodo (V), não linear

2º membro: recta de carga I = I_díodo = 5/100 - V_D/100

A solução corresponde ao ponto de intersecção das duas linhas (em que I=I Díodo e V=V díodo), obtendo-se I = 44 mA.

1.4 Aplicações dos díodos: o díodo como rectificador

Consideremos o circuito da Figura 4, ao qual é aplicada uma tensão sinusoidal v i; queremos determinar a tensão de saída v o

Figura 4: Circuito rectificador de meia onda.

Para simplificar, vamos supor que se trata de um díodo ideal, isto é, durante as arcadas positivas da sinusóide é um interruptor fechado, e um interruptor aberto durante as arcadas negativas, Figura 5

Figura 5: Fases da rectificação de meia onda.

Somando, obtemos:

Figura 6: Resultado da rectificação de meia-onda.

Esta é a chamada rectificação de meia-onda, na qual há supressão de uma alternância e aproveitamento da outra.

E não será possível aproveitar as duas? É, utilizando por exemplo os circuitos das Figura 7, o qual é costume designar por rectificador de onda completa.

É fácil verificar que numa alternância conduz um par de díodos (colocados em posições diametralmente opostas do losango) e na outra o segundo par, de modo que a corrente através da resistência tem sempre o mesmo sentido; a tensão de saída tem pois a forma indicada.

Figura 7: Rectificação de onda completa.

No caso da Figura 7, a entrada pode ser por transformador, ou directamente da rede. Existem pontes que contêm já os quatro díodos ligados. Se a fonte de tensão alternada tiver um terminal à massa, a carga, RL, ficará flutuante; caso contrário, isto é, se a fonte de tensão alternada estiver flutuante, podemos ligar qualquer dos terminais de RL à massa. É sempre necessário ter o

cuidado de ver em que caso se está para evitar curto-circuitos. Está dado o primeiro passo para obter, a partir de uma tensão alternada, uma tensão contínua, elemento essencial nas fontes de alimentação dos circuito electrónicos.

1.5 Circuito detector de Pico -Filtragem

Este é um circuito bastante utilizado em diversas aplicações, que vão da rectificação de sinais alternados à descodificação de um sinal de rádio AM (amplitude modulada). Apliquemos uma tensão sinusoidal ao seguinte circuito:

Figura 8

Quando se liga o circuito, começando v_i em zero, a tensão v_c irá acompanhar a tensão de entrada porque, sendo a díodo ideal, logo que v_i = 0 o díodo conduz passando a funcionar como curtocircuito. Quando v_i atinge o máximo (V_p) e começa a descer, se a constante de tempo t=RC for grande relativamente ao período do sinal de entrada, então a tensão v_c vai tender a manter-se enquanto v_i baixa e, consequentemente o díodo entra em corte (pois v_c = v_i ). A partir deste momento o condensador descarrega sobre a resistência segundo uma exponencial. Enquanto a tensão v_c decresce, a tensão de entrada vai evoluir, descendo até ao seu valor mínimo e depois subindo, até que acontece um instante em v_i iguala o valor de v_c e continua a subir. A partir desse instante v_i > v_c, o díodo começa a conduzir e v_c acompanha de novo v_i , repetindo-se este processo daí em diante, enquanto subsistir v_i . Teremos assim o seguinte gráfico das tensões do circuito:

Figura 9

Ao fenómeno de oscilação da tensão de saída chama-se Ripple (ou ondulação residual) e ao valor dessa oscilação chama-se tensão de Ripple (v_r). No caso da tensão de entrada apresentada na Figura 9, a tensão de Ripple dá-nos uma ideia da maior ou menor aproximação da tensão de saída a uma tensão contínua.

Como é óbvio, o valor v r, depende só da relação entre o tempo de descarga do condensador (a constante de tempo do circuito de descarga é RC), e o período do sinal de entrada. Para um período constante do sinal de entrada, quanto maior for a constante de tempo t=RC , menor será v_r já que mais próximo de V_p estará v'.

1.6 Diodos de comutação

Comutar significa fechar ou abrir circuitos, tal como se faria manualmente com comutadores. Polarizando os diodos no sentido directo ou inverso, podem-se realizar facilmente um grande numero de comutações;

Estes diodos são caracterizados pelo seu reduzido tempo de recuperação. o tempo de recuperação, que vai de 2 ms nos diodos mais lentos a menos de 10 µs nos diodos mais rápidos, é o tempo necessário para que se dê a recombinação dos portadores. O tempo necessário para que se inicie a condução de um diodo é essencialmente dependente da capacidade apresentada pela barreira de potencial nos diodos de ponta esta capacidade é bastante inferior à dos diodos de junção.

Características gerais dos diodos de comutação:

• Tensão inversa - 15 a 150V;
• Corrente direta - 20 a 750 mA;
• Corrente de fuga (diodos de ponta)- 10 a 500µA;
• Corrente de fuga (diodos de junção)- alguns nanoampares a 50 µA.

Figura 10

A fig. 10 mostra um dos casos mais frequentemente utilizados. Com o contato fechado, o diodo está polarizado no sentido inverso, bloqueando por conseguinte a passagem de corrente. Quando o contacto abre, a extra corrente de ruptura polariza o diodo no sentido directo, estabelecendo-se uma corrente de circulação.

Parâmetros Díodos

Na prática os díodos têm diversos parâmetros, geralmente fornecidos pelos dos fabricantes.
Alguns parâmetros são ou estão dependentes de outros, especialmente a temperatura. Por isso, os fabricantes costumam informar as condições de cada valor ou fornecem gráficos.

• Capacitância típica da junção (C_J - Typical Junction Capacitance): na polarização inversa, a região de depleção atua como um isolante, formando um pequeno capacitor. Isso pode ter influência significativa em freqüências mais altas.
• Corrente direta de pico máxima (I_FSM - Maximum Peak Forward Current): limitada pela dissipação térmica do diodo.
• Corrente direta média máxima ( I_F(AV) - Maximum Average Forward Current): é limitada basicamente pelas características de dissipação térmica do componente (tamanho, etc).
• Corrente inversa máxima (I_RM - Maximum Reverse Current): a corrente inversa se aplicada a tensão inversa contínua máxima (V_R). Seria nula em um diodo ideal. Nos dispositivos práticos, é bastante pequena em relação à corrente direta. É desprezível na maioria dos casos.
• Faixa de temperatura de armazenagem (T_STG - Storage Temperature Range): em vários casos, a temperatura máxima de armazenagem é igual à máxima de operação.
• Potência dissipada (P_D - Power Dissipation): a máxima potência dissipada pelo diodo.
• Resistência térmica (Thermal Resistance): dada para junção-ambiente (R_JA) ou junção-condutores (R_JL). Indica a oposição que o conjunto oferece à dissipação do calor gerado na junção. Seria nula em um dispositivo ideal.
• Temperatura de operação da junção (T_J - Operating Junction Temperature): a máxima temperatura de trabalho do diodo. Diodos de alta potência em geral usam dissipadores para manter a temperatura abaixo da máxima especificada.
• Tempo de recuperação inverso (t_rr - Reverse Recovery Time): o tempo decorrido para o diodo deixar de conduzir, após a mudança de polarização de direta para inversa. Seria nulo para um diodo ideal. Diodos comuns apresentam tempos na faixa de microssegundos e diodos rápidos (para freqüências mais altas), na faixa de nanossegundos.
• Tensão direta (V_F - Forward Voltage): a queda de tensão, em geral especificada para a corrente nominal. Seria zero em um diodo ideal.
• Tensão inversa de pico (PIV - Peak Inverse Voltage): no gráfico da Figura 1.4 podemos notar que a tensão inversa é limitada por um máximo absoluto, acima do qual há ruptura e destruição da junção. O fabricante especifica um valor máximo seguro, para operação sem ocorrência da ruptura.
• Tensão inversa contínua máxima (V_R ou V_DC - Maximum DC Reverse Voltage): a máxima tensão contínua de operação. Seria infinita para um diodo ideal.
• Tensão inversa repetitiva máxima (V_RRM - Maximum Repetitive Reverse Voltage): a tensão inversa máxima de operação em forma de pulsos repetidos. Seria infinita para um diodo ideal.