Como funciona um Diodo Semicondutor – Parte 1

Como funciona um Diodo

Neste artigo vamos explicar algumas das características de funcionamento dos diodos semicondutores. Um diodo é um dispositivo semicondutor de duas camadas, fabricado geralmente com silício, e às vezes com outros materiais, como germânio, arsênio ou selênio.

As duas camadas são dopadas com impurezas, como é comum em materiais semicondutores, sendo uma camada do tipo N e a outra camada, do tipo P, formando uma junção PN, conforme mostra a ilustração a seguir:

Diodo Semicondutor com Junção PN

Junção PN

A camada do tipo N possui um excesso de elétrons, criando assim uma carga negativa geral no lado do catodo (negativo) do diodo. Já a camada P possui falta de elétrons, criando uma carga geral positiva, no lado do anodo do componente; essa falta de elétrons é chamada de “lacuna”, que são “espaços” que podem ser preenchidos com elétrons.

Polarização do Diodo

Conectando o terminal positivo de uma fonte de tensão externa ao anodo do diodo, e o terminal negativo ao catodo, teremos um diodo com Polarização Direta, e os elétrons e lacunas são forçados por repulsão mútua a se movimentarem em direção à linha de junção entre as camadas P e N.

Caso a diferença de potencial aplicada seja maior do que cerca de 0,7V (em um diodo de silício), que é a tensão de junção, cargas passarão pela junção, estabelecendo uma corrente elétrica.
Em outros tipos de diodos esse nível de tensão é diferente, como 0,3V em diodos de germânio e cerca de 0,2V em diodos Schottky.

Se o diodo for polarizado inversamente (negativo da fonte no anodo do diodo, e o positivo da fonte ligado ao catodo), teremos a chamada Polarização Reversa, e os elétrons e lacunas serão atraídos para longe da junção entre as camadas P e N, impedindo assim a circulação de corrente (até m certo limite). O espaço deixado pelas cargas é chamado de Região de Depleção.

Polarização de um diodo semicondutor

Exemplo de Polarização de Diodos

 

Polarização Direta e Polarização Inversa de Diodos

No esquema acima, o diodo D1 está polarizado inversamente e D2 está polarizado diretamente (de acordo com o sentido convencional da corrente). Ou seja, neste circuito D2 está conduzindo ao passo que D1 está cortado.

Tensão de Joelho

Quando um diodo é polarizado diretamente, ele impõe uma pequena queda de tensão ao circuito, cujo valor será de cerca de 0,7V em diodos de silício, 0,3V em diodos de germânio, 0,2V em diodos Schottky, e entre 1,4 e 4V aproximadamente em LEDs, sendo essa energia dissipada na forma de calor.

Se a tensão direta aplicada exceder esse valor, a corrente que flui pelo dispositivo começa a aumentar muito rapidamente. Esse nível de tensão recebe o nome de Tensão de Joelho (VK), a qual é igual à barreira de potencial.

Já quando a polarização é reversa, pode haver uma pequena passagem de corrente, conhecida como corrente de fuga, sendo essa corrente geralmente algo abaixo de 1mA, e podendo ser de apenas uns poucos μA, dependendo do tipo do diodo. Na prática, o diodo não conduz nessa situação.

Caso a tensão reversa for alta o suficiente, excedendo um determinado limite, o diodo alcançará sua Tensão de Ruptura (VBR / Breakdown), e sua resistência efetiva cairá a zero, sendo nesse caso o componente provavelmente danificado de forma permanente pelo excesso de corrente.

O gráfico a seguir mostra o comportamento de diodos de silício e germânio em relação à tensão aplicada quando polarizados de forma direta (forward) e de forma reversa (reverse):

Polarização direta e polarização reversa de um diodo semicondutor

Polarização direta e polarização reversa de um diodo semicondutor. Imagem: Sparkfun. Licença CC BY-SA 4.0

Regiões de Operação de um Diodo 

De acordo com o exposto acima, temos que um diodo pode, no geral, operar em uma de três regiões distintas:

  • Polarização direta (Forward Bias): a corrente flui através do diodo, desde que a tensão aplicada seja maior do que a tensão direta VF.
  • Polarização Reversa (Reverse Bias): Modo “desligado”, quando não há passagem de corrente através do componente. A tensão aplicada é menor do que VF , porém maior do que -VBRM . O fluxo de corrente é (quase) totalmente bloqueado. Uma corrente extremamente pequena, chamada de Corrente de Saturação reversa, consegue atravessar o diodo em polarização reversa.
  • Breakdown: Ruptura. Se uma tensão muito grande for aplicada inversamente no diodo, uma grande quantidade de corrente conseguirá fluir no sentido reverso (catodo para anodo). Isso pode inclusive danificar o diodo permanentemente.

Resistência de Corpo

Ao ultrapassarmos a tensão de joelho, a corrente que atravessa o diodo aumenta rapidamente. A partir desse ponto, a corrente é limitada somente pela resistência ôhmica das regiões P e N do dispositivo.

Chamamos de Resistência de Corpo (RB) à soma das resistências ôhmicas as regiões P e N do diodo. Assim, temos:

RB = RP + RN

No geral, essa resistência é menor do que 1Ω, mas pode variar dependendo do tipo de diodo considerado, por conta de fatores como o tamanho das regiões p e n, nível de dopagem, etc.

Corrente Direta Máxima

Caso a corrente aplicada a um diodo seja muito elevada, ele poderá ser danificado por calor excessivo. Por conta disso, há um nível de corrente máxima que o diodo pode suportar com segurança quando polarizado diretamente. Esse nível é chamado de Corrente Direta Máxima, podendo ser representado como IMAX, IF(MAX) ou ainda de outras formas em um datasheet, dependendo do fabricante do componente.

Potência Nominal (PD)

Trata-se da potência máxima que o diodo pode dissipar com segurança sem se danificar ou alterar suas propriedades. Pode ser definida como:

Pmáx = Vmáx . Imáx

Por exemplo, suponha um diodo cuja tensão direta máxima seja de 5V e com corrente máxima de 2A. Sua potência nominal será de:

5V x 2A = 10W

Ou seja, se esse diodo for submetido a uma potência maior do que 10 watts, muito provavelmente será danificado.

Nesta lição vimos algumas das características mais importantes e o modo de funcionamento básico de diodos semicondutores convencionais. No próximo artigo veremos alguns exemplos de circuitos simples que utilizam diodos, como retificadores e reguladores de tensão, aprofundando o estudo sobre seu funcionamento, de acordo com as características aqui explicadas.

 

Sobre Fábio dos Reis (1349 Artigos)
Fábio dos Reis trabalha com tecnologias variadas há mais de 25 anos, tendo atuado nos campos de Eletrônica, Telecomunicações, Programação de Computadores e Redes de Dados. É um entusiasta de Unix, Linux e Open Source em geral, adora Eletrônica e Música, e estuda idiomas, além de ministrar cursos e palestras sobre diversas tecnologias em São Paulo e outras cidades do Brasil.
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2 Comentários em Como funciona um Diodo Semicondutor – Parte 1

  1. Moisés Jose Katiavala // 06/09/2020 em 9:29 // Responder

    A aunla foi muito boa, gostei muito e espero mas aulas como essa.

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