Materiais semicondutores - 2º Parte

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     cidadania, a assistência técnica e tecnológica, a produção e disseminação

     de informação e a adequação, geração e difusão de tecnologia.

APLICAÇÃO DE TENSÃO SOBRE O DIODO

A aplicação de tensão sobre o diodo estabelece a forma como o componente se comporta eletricamente. A tensão pode ser aplicada ao diodo pela polarização direta ou pela polarização inversa do componente, conforme examinado a seguir.

POLARIZAÇÃO DIRETA

Polarização direta é uma condição que ocorre quando o lado p é submetido a um potencial positivo relativo ao lado n do diodo, conforme ilustrado na Fig. 17.
Nessa situação, o pólo positivo da fonte repele as lacunas do material p em direção ao pólo negativo, enquanto os elétrons livres do lado n são repelidos do pólo negativo em direção ao pólo positivo.

Na situação ilustrada na Fig.18, o valor da tensão aplicada ao diodo é inferior ao valor VB da barreira de potencial. Nessa condição, a maior parte dos elétrons e lacunas não têm energia suficiente para atravessar a junção . 

Como resultado, apenas alguns elétrons e lacunas têm energia suficiente para penetrar a barreira de potencial, produzindo uma pequena corrente elétrica através do diodo

Se a tensão aplicada aos terminais do diodo excede o valor da barreira de potencial, lacunas do lado p e elétrons do lado n adquirem energia superior àquela necessária para superar a barreira de potencial, produzindo como resultado um grande aumento da corrente elétrica através do diodo, como mostrado na Fig. 19.
Quando o diodo está polarizado diretamente, conduzindo corrente elétrica sob a condição V > VB, diz-se que o diodo está em condução.

Um diodo está em condução quando polarizado diretamente sob a condição V > VB

POLARIZAÇÃO INVERSA

A polarização inversa de um diodo ocorre quando o lado n fica submetido a um potencial positivo relativo ao lado p do componente, como mostrado na Fig.20.

Nessa situação, os pólos da fonte externa atraem os portadores livres majoritários em cada lado da junção; ou seja, elétrons do lado n e lacunas do lado p são afastados das proximidades da junção, conforme ilustrado na Fig.21.

Com o afastamento dos portadores majoritários, aumenta não só, a extensão da região de cargas descobertas, como também o valor da barreira de potencial através da junção.
Com o aumento da barreira de potencial, torna-se mais difícil o fluxo, através da junção, de elétrons injetados pela fonte no lado p e de lacunas no lado n. Como resultado, a corrente através do diodo tende praticamente a um valor nulo.
Quando o diodo está sob polarização inversa, impedindo o fluxo de corrente através de seus terminais, diz-se que o diodo está em bloqueio ou na condição de corte.

Um diodo inversamente polarizado bloqueia o fluxo de corrente elétrica.

CARACTERÍSTICA ELÉTRICA DO DIODO SEMICONDUTOR

         É sempre conveniente modelar um determinado componente eletrônico através de seu circuito equivalente. O circuito equivalente é uma ferramenta largamente utilizada em eletrônica para representar um componente com características não comuns, por um circuito consistindo de componentes mais simples, tais como interruptores, resistores, capacitores etc.

         No caso do diodo semicondutor, o circuito equivalente se torna bastante simplificado quando o diodo é considerado ideal, conforme descrito a seguir. 

O DIODO SEMICONDUTOR IDEAL

         Por diodo ideal entende-se um dispositivo que apresenta características ideais de condução e bloqueio.

         Um diodo ideal, polarizado diretamente, deve conduzir corrente elétrica sem apresentar resistência, comportando-se como um interruptor fechado, como ilustrado na segunda linha da Tabela 1. O interruptor fechado é, portanto, o circuito equivalente para o diodo ideal em condução.

                              

         Polarizado inversamente, o diodo semicondutor ideal deve comportar-se como um isolante perfeito, impedindo completamente o fluxo de corrente. O interruptor aberto ilustrado na terceira linha da Tabela 1 é, portanto, o circuito equivalente para o diodo ideal na condição de corte.

         Em resumo, o diodo ideal comporta-se como um interruptor, cujo estado é controlado pela tensão aplicada aos seus terminais.

Tabela 1 Circuitos equivalentes para o diodo ideal.

MODELO SEMI-IDEAL DO DIODO SEMICONDUTOR

         O diodo ideal é um modelo simplificado do diodo real, pois naquele modelo alguns parâmetros relacionados à fabricação e às propriedades de materiais semicondutores são desprezados. Modelos mais realísticos do diodo operando em condução ou em bloqueio são descritos a seguir.

Diodo em condução

         Com respeito às características de condução do diodo semicondutor, deve-se levar em conta que o diodo entra em condução efetiva apenas a partir do momento em que a tensão da fonte externa atinge um valor ligeiramente superior  ao valor V_B da barreira de potencial.

         Deve-se também considerar a existência de uma resistência elétrica através da junção quando o diodo está sob polarização direta. Essa resistência existe em qualquer semicondutor, devido a colisões dos portadores com a rede cristalina do material.  O valor da resistência interna dos diodos em estado de condução é normalmente inferior a 1W.

         Assim, um modelo mais aprimorado para o circuito equivalente do diodo em condução pode ser obtido pela associação série de um resistor Rc, representativo da resistência direta de condução, com uma fonte de tensão VB correspondente ao valor da barreira de potencial na junção, como mostrado na Fig.22.

Em situações em que o diodo é utilizado em série com componentes que exibem resistências muito superiores à sua resistência de condução, esta pode ser desprezada e o diodo pode ser considerado como ideal, sem que se incorra em um erro significativo.

         No circuito da Fig.23, por exemplo, o valor da resistência externa é 1.500 vezes superior à resistência de condução do diodo, e o erro relativo cometido no cálculo da corrente do circuito ao se considerar o diodo como ideal é de apenas 1,5%.

Diodo em bloqueio

Efeitos associados à temperatura e a absorção de fótons nas proximidades da junção de um diodo, possibilitam a geração de uma pequena quantidade de portadores minoritários, ou mais precisamente, lacunas no lado n e elétrons livres no lado p. Conseqüentemente, sempre existe uma corrente de fuga, quando o diodo é inversamente polarizado, correspondendo à passagem de portadores minoritários através da junção.  Essa corrente de fuga é geralmente da ordem de alguns microampères, o que indica que a resistência da junção inversamente polarizada pode chegar a vários megahoms.

O diodo em bloqueio pode, portanto, ser modelado a partir do circuito equivalente mostrado na Fig.24.

CURVA CARACTERÍSTICA DO DIODO

O comportamento de qualquer componente eletrônico pode ser expresso através de uma curva característica ou curva VI que representa a relação entre tensão e corrente através dos terminais do componente. Dessa forma, para cada valor da tensão aplicada, pode-se, a partir dos dados da curva característica, obter o valor da corrente que flui no dispositivo e vice-versa.  A curva característica do diodo serve para determinar seu comportamento real qualquer que seja o seu estado de polarização, conforme examinado a seguir.

Região de condução

Durante a condução, uma corrente Id flui através do diodo, conforme ilustrado na Fig.25. A medida que aumenta a corrente injetada Id, a queda de tensão Vd , observada através dos terminais do diodo, aumenta muito pouco em relação ao valor VB, como conseqüência do baixíssimo valor da resistência de condução do diodo.

Uma representação gráfica dessa relação tensão´corrente para o caso do diodo de silício é mostrada na Fig.26. Nessa representação, a curva característica do diodo é obtida simplesmente pela união de todos os pontos representativos dos pares de valores possíveis de corrente Id e tensão Vd, através do diodo no regime de condução.

A obtenção do valor de tensão V0 que corresponde a um dado valor de corrente I0, é feita conforme ilustrado na Fig.27. Deve-se traçar inicialmente uma linha horizontal a partir do ponto sobre o eixo vertical correspondente ao valor I0. Essa linha intercepta a curva no ponto P indicado na Fig.27. Traçando-se a partir de P uma linha vertical, obtém-se a interseção com o eixo horizontal no ponto V0 que é o valor desejado da queda de tensão nos terminais do diodo.

Através da curva verifica-se também que, enquanto a tensão sobre o diodo não ultrapassa um valor limite, que corresponde ao potencial da barreira VB, a corrente através do diodo permanece muito pequena. Essa condição está indicada na Fig.28, para um tipo de diodo de silício, onde Id < 6 mA para Vd < 0,7 V. A partir do valor limite VB = 0,7 V, a corrente através do diodo pode aumentar substancialmente sem que isso cause um aumento significativo na queda de tensão através do diodo. Verifica-se, portanto, que na faixa de valores Vd > 0,7 V, o diodo comporta-se praticamente como um resistor de baixíssima resistência.

Fig.28 Curva característica para um tipo comum de diodo de silício.

Região de bloqueio

Como discutido anteriormente, existe uma corrente de fuga quando o diodo é inversamente polarizado. Essa corrente de fuga aumenta gradativamente com o aumento da tensão inversa nos terminais do diodo. Esse comportamento pode ser observado na região de tensões e correntes negativas do gráfico da curva característica mostrado na Fig.29. Note-se que, para este tipo de diodo de silício, a corrente de fuga satura no valor de 1 microampère negativo.

Como em polarização direta a corrente é tipicamente mais de 1.000 vezes superior ao valor da corrente de polarização inversa, a representação das duas regiões de operação em um mesmo gráfico é geralmente feita utilizando-se a escala de mA na região de tensões positivas, e a escala de mA na região de tensões negativas. Essa forma de representação está ilustrada na Fig.30, para um tipo comum de diodo de silício, onde se pode visualizar detalhadamente o comportamento da curva característica em ambos os regimes de operação.

Fig.30 Curva característica de um diodo de silício com escala vertical dupla para detalhar os regimes de polarização direta e inversa.

LIMITES DE OPERAÇÃO DO DIODO

Os limites de operação do diodo em cc estabelecem os valores máximos de tensão e corrente que podem ser aplicados ao componente em circuitos de corrente contínua, sem provocar danos a sua estrutura.
Analisando o comportamento do diodo no regime de condução, verifica-se que a corrente de condução é o fator diretamente influenciado pelo circuito de alimentação do diodo. A queda de tensão nos terminais do diodo no regime de condução é praticamente independente do circuito, mantendo-se em um valor próximo ao valor do potencial da barreira do dispositivo, ou seja, 0,7 V para o silício e 0,3 V para o germânio.

No regime de polarização inversa, a tensão através do diodo é o parâmetro diretamente influenciado pelo circuito de alimentação. A corrente de fuga não é muito influenciada pelo circuito externo pois depende apenas das propriedades materiais do diodo.

Dessa forma, os limites de operação do diodo são definidos pela corrente de condução máxima e tensão inversa máxima descritas a seguir.

Corrente de condução máxima

A corrente máxima de condução de um diodo é fornecida pelo fabricante em um folheto de especificações técnicas. Nesses folhetos, a corrente máxima de condução aparece designada pela sigla IF, com a abreviação F simbolizando a palavra inglesa forward que significa para a frente, direto(a) etc. Na Tabela 2 são especificados valores de IF para dois tipos comerciais de diodos.

Tabela 2 Valores de I_F para dois diodos.

TIPO	IF
SKE 1/12	1,0 A
1n4004	1,0 A

Tensão inversa máxima

Sob polarização inversa, o diodo opera no regime de bloqueio. Nessa condição, praticamente toda tensão externamente aplicada atua diretamente entre os terminais do diodo, conforme ilustrado na Fig.31.

Cada diodo tem a estrutura preparada para suportar um determinado valor máximo da tensão inversa. A aplicação de um valor de tensão inversa superior àquele especificado pelo fabricante, provoca um aumento significativo da corrente de fuga suficiente para danificar o componente.
Os fabricantes de diodos fornecem nos folhetos de especificação o valor da tensão inversa máxima que o diodo suporta sem sofrer ruptura. Esse valor é designado por VR. Na Tabela 3 estão listadas as especificações de alguns diodos comerciais com os respectivos valores do parâmetro VR.

Tabela 3 Especificações de diodos e tensões inversas máximas correspondentes.

TIPO	VR
1N4001	50 V
BY127	800 V
BYX13	50 V
SKE1/12	1.200 V

TESTE DE DIODOS SEMICONDUTORES

As condições de funcionamento de um diodo podem ser verificadas pela medição da resistência através de um multímetro.

Os testes realizados para determinar as condições de um diodo resumem-se a uma verificação da resistência do componente nos sentidos de condução e bloqueio, utilizando a tensão fornecida pelas baterias do ohmímetro. Entretanto, existe um aspecto importante com relação ao multímetro que deve ser considerado ao se testarem componentes semicondutores:

Existem alguns multímetros que, quando usados como ohmímetros, têm polaridade real invertida com relação à polaridade indicada pelas cores das pontas de prova.

Isso implica que, para estes multímetros:

Ponta de prova preta      ==>    Terminal positivo
Ponta de prova vermelha ==> Terminal negativo

Para realizar o teste com segurança deve-se utilizar um multímetro cuja polaridade real das pontas de prova seja conhecida ou consultar o esquema do multímetro para determinar as polaridades reais.

EXECUÇÃO DO TESTE

Para determinar se o diodo está defeituoso, não é necessário identificar os terminais do ânodo e do cátodo. Basta apenas conectar as pontas de prova do multímetro aos terminais do diodo e alterná-las para verificar o comportamento do diodo quanto às duas polaridades possíveis.

A seguir são descritos possíveis testes de diodos que podem ser realizados com o multímetro:


Diodo em boas condições: O ohmímetro deve indicar baixa resistência para um sentido de polarização e alta resistência ao se inverterem as pontas de prova nos terminais do diodo, conforme ilustrado na Fig.32.
Diodo em curto: Se as duas leituras indicarem baixa resistência, o diodo está em curto, conduzindo corrente elétrica nos dois sentidos.
Diodo aberto (interrompido eletricamente): Se as duas leituras indicarem alta resistência o diodo está em aberto, bloqueando a passagem de corrente elétrica nos dois sentidos.

Identificação do ânodo e cátodo de um diodo: Em muitas ocasiões, a barra de identificação do cátodo no corpo de um diodo pode estar apagada. Nessas situações, os terminais do diodo poderão ser identificados com auxílio do multímetro. O diodo exibe baixa resistência quando a ponta de prova com a polaridade real positiva é conectada ao ânodo. Basta, portanto, testar o diodo conectando-se as pontas de prova nas duas posições possíveis. Quando o multímetro indicar baixa resistência, o seu ânodo estará conectado à ponta de prova com polaridade real positiva.