Sumrio

SENAI

Srie de Eletrnica

Sumrio

5Introduo

Materiais semicondutores6Constituio qumica7Dopagem9Semicondutor tipo n10Semicondutor tipo p12Propriedades trmicas14O diodo semicondutor15Formao do diodo - juno pn15Aspecto e representao do diodo17Aplicao de tenso sobre o diodo18Polarizao direta18Polarizao inversa20Caracterstica eltrica do diodo semicondutor21O diodo semicondutor ideal21Modelo semi-ideal do diodo semicondutor22Curva caracterstica do diodo24Limites de operao do diodo28Teste de diodos semicondutores30Execuo do teste31Apndice33Questionrio33Bibliografia34

Espao SENAI

Misso do Sistema SENAI Contribuir para o fortalecimento da indstria e o desenvolvimento

pleno e sustentvel do Pas, promovendo a educao para o trabalho e a

cidadania, a assistncia tcnica e tecnolgica, a produo e disseminao

de informao e a adequao, gerao e difuso de tecnologia.

Introduo

A eletrnica se desenvolveu de forma espantosa nas ltimas dcadas. A cada dia novos componentes so colocados no mercado, simplificando o projeto e construo de novos equipamentos cada vez mais sofisticados.

Um dos fatos que contribuiu de forma marcante para essa evoluo foi a descoberta e aplicao dos materiais semicondutores. O primeiro componente fabricado com esses materiais, que foi denominado de diodo semicondutor, at hoje utilizado para a transformao de corrente alternada em corrente contnua.

Este fascculo trata dos materiais semicondutores e do diodo semicondutor com suas caractersticas e forma de teste, visando a fornecer os conhecimentos indispensveis para o entendimento da transformao de ca em cc.

Para a boa compreenso do contedo e desenvolvimento das atividades contidas neste fascculo, o leitor dever estar familiarizado com os conceitos relativos a:

Corrente eltrica.

Materiais condutores e isolantes.

Materiais semicondutores

Alguns materiais apresentam propriedades de conduo eltrica intermedirias entre aquelas inerentes aos isolantes e aos condutores. Tais materiais so denominados de semicondutores. A caracterstica mais interessante do material semicondutor, e que o torna atrativo do ponto de vista da fabricao de componentes eletrnicos, a possibilidade de se poder variar substancialmente sua condutividade eltrica pela alterao controlada de sua composio qumica ou estrutura cristalina.

Um exemplo tpico de um elemento qumico que pode formar materiais exibindo caractersticas eltricas distintas o carbono. Dependendo da forma com que os tomos de carbono se interligam, o material formado pode tornar-se um isolante ou um condutor.

Uma das formas naturais de matria formada por tomos de carbono arranjados ordenadamente em uma estrutura cristalina o diamante, que um material de grande dureza e eletricamente isolante.

Os tomos de carbono podem tambm arranjar-se naturalmente em uma estrutura amorfa ou no cristalina, dando origem ao grafite que um material semicondutor.

Nas sees seguintes sero discutidas algumas das caractersticas principais associadas aos materiais semicondutores e a forma pela qual esses materiais podem ser utilizados na construo de dispositivos eletrnicos.

CONSTITUIO QUMICA

Os materiais semicondutores mais simples so constitudos de tomos de um nico elemento qumico com quatro eltrons na camada de valncia. tomos exibindo esta configurao eletrnica so denominados de tomos tetravalentes.

A Fig.1 ilustra a configurao dos tomos tetravalentes de germnio (Ge) e silcio (Si) que do origem a materiais semicondutores.

Fig.1 Configurao eletrnica dos tomos de silcio e germnio.

Os tomos que tm quatro eltrons na camada de valncia tendem a se arranjar ordenadamente na formao do material segundo uma estrutura cristalina com tomos vizinhos compartilhando seus eltrons de valncia, conforme ilustrado na Fig.2.

Fig.2 Compartilhamento de eltrons de valncia entre dois tomos de silcio.

O compartilhamento de eltrons entre tomos tetravalentes em uma estrutura cristalina ilustrado na Fig.3a. Esse tipo de ligao qumica recebe a denominao de ligao covalente, sendo representada simbolicamente por dois traos interligando cada par de ncleos, como mostrado na Fig.3b.

(a) (b)

Fig.3 Compartilhamento de eltrons entre tomos ligados covalentemente em uma estrutura cristalina e a representao simblica correspondente.

Nas ligaes covalentes os eltrons permanecem fortemente ligados ao par de ncleos interligados. Por esta razo os materiais formados por estruturas cristalinas puras, compostas unicamente por ligaes covalentes, adquirem caractersticas de boa isolao eltrica.

Materiais com estruturas cristalinas puras formadas por elementos qumicos tetravalentes so bons isolantes eltricos.

Na forma cristalina, o silcio e o germnio puros so materiais semicondutores com propriedades eltricas prximas quelas de um isolante perfeito.

A Fig.4 mostra uma representao planar do arranjo de tomos tetravalentes em uma rede cristalina, onde cada tomo forma quatro ligaes covalentes com seus vizinhos.

Fig.4Representao planar de uma rede cristalina de tomos tetravalentes.A representao ilustrada na Fig.4 uma verso simplificada da situao real em que os tomos tetravalentes se arranjam em uma estrutura tridimensional. Essa estrutura tridimensional ilustrada na Fig.5, com os tomos interligados em uma geometria tetradrica. O tetraedro assim formado sempre contm um tomo central interligado aos seus quatro vizinhos posicionados nos vrtices do tetraedro.

Fig.5 Estrutura tridimensional de uma rede cristalina de tomos tetravalentes.

DOPAGEM

A dopagem um processo qumico no qual tomos estranhos so introduzidos na estrutura cristalina de uma substncia.

Os materiais encontrados em sua forma natural, geralmente contm um certo grau de impurezas que se instalam durante o processo de formao desses materiais. Essa situao pode ser caracterizada como um processo de dopagem natural.

A dopagem pode tambm ser realizada em laboratrio, com o objetivo de introduzir no cristal uma determinada quantidade de tomos de impurezas, de forma a alterar, de maneira controlada, as propriedades fsicas naturais do material.

Em um cristal semicondutor a dopagem geralmente realizada para alterar suas propriedades eltricas. O grau de condutividade bem como o mecanismo de conduo do semicondutor dopado ir depender dos tipos de tomos de impureza introduzidos no cristal, como descrito a seguir.

SEMICONDUTOR TIPO n

Quando o processo de dopagem introduz na estrutura cristalina do semicondutor uma quantidade de tomos contendo excesso de um eltron de valncia relativamente ao nmero de eltrons da camada mais externa de cada tomo do cristal, forma-se um semicondutor tipo n. Neste processo, uma pequena quantidade dos tomos dopantes introduz apenas ligeiras modificaes na estrutura cristalina do semicondutor puro.

Um exemplo tpico de formao de um semicondutor tipo n ocorre quando tomos de fsforo so introduzidos na estrutura cristalina do silcio. Conforme ilustrado na Fig.6, apenas quatro dos cinco eltrons de valncia do fsforo, podem participar das ligaes covalentes com os tomos de silcio.

Fig.6 Dopagem de silcio com tomo de fsforo.

Como mostrado na Fig.6, o quinto eltron de valncia do tomo de fsforo no participa de nenhuma ligao covalente, pois no existe um segundo eltron de valncia disponvel nos tomos vizinhos que possibilite a formao dessa ligao. Esse eltron extra pode, portanto, ser facilmente liberado pelo tomo de fsforo, passando a transitar livremente atravs da estrutura do cristal semicondutor.

Com a adio de impurezas, e conseqente aumento no nmero de eltrons livres, conforme ilustrado na Fig.7, o cristal que era puro e isolante passa a ser condutor de corrente eltrica. importante observar que embora o material tenha sido dopado, o nmero total de eltrons permanece igual ao nmero total de prtons no cristal, de forma que o material continua eletricamente neutro.

Fig.7 Eltrons livres no silcio dopado com fsforo.

O semicondutor dopado com tomos contendo excesso de um ou mais eltrons na camada de valncia recebe a denominao de semicondutor tipo n, pois nesses materiais a corrente eltrica conduzida predominantemente por cargas negativas. Essa conduo eltrica ocorre independentemente da polaridade da tenso aplicada entre as extremidades do material semicondutor, conforme ilustrado na Fig.8.

Fig.8 Corrente de eltrons em um semicondutor tipo n.

SEMICONDUTOR TIPO p

Quando os tomos introduzidos na estrutura cristalina do semicondutor exibem deficincia de um eltron de valncia relativamente ao nmero de eltrons da camada mais externa de cada tomo do cristal, forma-se um semicondutor tipo p.

O tomo de ndio, por exemplo, que tem trs eltrons na camada de valncia, quando utilizado no processo de dopagem do silcio d origem a um semicondutor tipo p, conforme ilustrado na Fig.9.

Fig.9 Dopagem de silcio com tomo de ndio.

Como se pode observar na Fig.9, o tomo de ndio se acomoda na estrutura cristalina, formando trs ligaes covalentes com tomos vizinhos de silcio. Com respeito ligao com o quarto tomo de silcio, verifica-se a ausncia do segundo eltron que comporia o par necessrio formao daquela ligao com o tomo de ndio. Essa ausncia de eltron de ligao denominada de lacuna.

A existncia de lacunas no semicondutor permite que haja um mecanismo de conduo distinto daquele observado em um semicondutor tipo n. No caso do semicondutor tipo n, os eltrons adicionais resultantes do processo de dopagem podem transitar livremente no interior do material. Por outro lado, quando a dopagem produz lacunas no semicondutor, um eltron proveniente de uma ligao covalente s poder transitar para um ponto do cristal onde haja uma lacuna disponvel.

Fig.10Movimento de lacunas em um semicondutor sujeito a uma ddp.Fig.10 Movimento de lacunas em um semicondutor sujeito a uma ddp.

Esse mecanismo de conduo est ilustrado na Fig.10, onde se considera uma representao de um cristal de silcio dopado com tomos de ndio submetido a uma ddp.

O movimento de eltrons de valncia se d do plo negativo para o plo positivo, pela ocupao de lacunas disponveis na rede cristalina. Nesse processo, cada eltron torna disponvel uma nova lacuna em seu stio de origem, como pode ser observado na representao da Fig.10.

Esse movimento de eltrons equivale portanto, a um movimento de lacunas do plo positivo para o plo negativo do material.

De acordo com esse ponto de vista, as lacunas em um semicondutor dopado se comportam efetivamente como cargas positivas que podem transitar em um cristal quando este est submetido a uma tenso externamente aplicada.

O semicondutor dopado com tomos contendo deficincia de um ou mais eltrons na camada de valncia recebe a denominao de semicondutor tipo p, pois nesses materiais a corrente eltrica conduzida predominantemente por lacunas que se comportam como portadores de carga positiva durante o processo de conduo eltrica.

Como no processo de conduo eltrica de um semicondutor tipo n, o movimento de lacunas em um semicondutor tipo p, submetido a uma ddp, ocorre independentemente da polaridade da tenso aplicada entre as extremidades do material.

Analisando-se as propriedades bsicas de semicondutores dopados, nota-se que o nmero de eltrons em um semicondutor tipo n, ou lacunas em um semicondutor tipo p, cresce com o aumento do nmero de tomos de impurezas introduzidas no cristal. Com o aumento do nmero de portadores de carga, aumenta a condutividade eltrica do material. Dessa forma, torna-se possvel alterar de forma controlada a condutividade eltrica de um semicondutor, efetuando-se a dosagem adequada da quantidade de dopagem do cristal durante a etapa de fabricao.

Essa caracterstica de controle externo de condutividade possibilita o uso de cristais semicondutores como matria prima na fabricao de componentes eletrnicos, incluindo diodos, transistores, circuitos integrados etc., bem como na construo de dispositivos optoeletrnicos, tais como fotodetetores, diodos emissores de luz e lasers semicondutores.

A condutividade eltrica de um semicondutor pode ser controlada pela dosagem adequada da quantidade de dopagem do cristal, durante a etapa de fabricao.

PROPRIEDADES TRMICAS

A temperatura exerce influncia direta sobre as propriedades eltricas de materiais semicondutores. Quando a temperatura de um material semicondutor aumenta, o aumento de energia trmica do eltron de valncia facilita a sua liberao da ligao covalente de que participa. Cada ligao covalente que se desfaz por esse processo propicia, portanto, a gerao de um par eltron/lacuna a mais na estrutura do cristal, conforme ilustrado na Fig.11.

Fig.11 Gerao por aquecimento de pares eltron/lacuna em um semicondutor.

O aumento do nmero de portadores devido ao aquecimento do cristal aumenta sua condutividade, permitindo assim que se obtenha um maior fluxo de corrente no material.

O diodo semicondutor

O diodo semicondutor um componente que pode comportar-se como condutor ou isolante eltrico, dependendo da forma como a tenso aplicada aos seus terminais. Essa caracterstica permite que o diodo semicondutor possa ser utilizado em diversas aplicaes, como, por exemplo, na transformao de corrente alternada em corrente contnua.

FORMAO DO DIODO - JUNO pnUm diodo semicondutor formado a partir da juno entre um semicondutor tipo p e um semicondutor tipo n, conforme ilustrado na Fig.12. Existem vrios processos que permitem a fabricao desse tipo de estrutura e que utilizam tcnicas altamente sofisticadas para o controle de crescimento dos cristais semicondutores com os graus de dopagens desejados. A estrutura formada recebe a denominao de juno pn.

Fig.12 Diodo semicondutor.

Conforme ilustrado na Fig.13, logo aps a formao da juno pn, alguns eltrons livres se difundem do semicondutor tipo n para o semicondutor tipo p. O mesmo processo ocorre com algumas lacunas existentes no semicondutor tipo p que difundem para o semicondutor tipo n.

Fig.13 Difuso de eltrons e lacunas logo aps a formao da juno pn.

Durante o processo de difuso, parte dos eltrons livres se recombinam com lacunas na regio prxima juno. A diminuio do nmero de eltrons livres existentes inicialmente do lado n que conseguiram se difundir e recombinar com as lacunas no lado p, produz uma regio de cargas positivas do lado n e negativas do lado p da juno.

Conforme ilustrado na Fig.14, as cargas produzidas nas proximidades da juno so cargas fixas rede cristalina. Essa regio de cargas prxima juno denominada regio de cargas descobertas ou regio de depleo.

Fig.14 Regio de cargas descobertas nas proximidades da juno pn.

Com o aparecimento da regio de depleo, o transporte de eltrons para o lado p bloqueado, pois estes so repelidos da regio negativamente carregada do lado p. O mesmo efeito se aplica para lacunas cujo transporte para o lado n repelido pelas cargas positivas existentes no lado n da juno.

Portanto, imediatamente aps a formao da juno, uma diferena de potencial positiva gerada entre os lados n e p. Essa barreira de potencial previne a continuao do transporte de portadores atravs da juno pn no polarizada.

Imediatamente aps a formao da juno pn, aparece uma barreira de potencial que positiva do lado n e negativa do lado p da juno.

A tenso VB proporcionada pela barreira de potencial no interior do diodo, depende do material utilizado na sua fabricao. Valores aproximados para os diodos de germnio e silcio so VB = 0,3 V e VB = 0,7 V, respectivamente.

No possvel medir diretamente o valor de VB aplicando um voltmetro conectado aos terminais do diodo, porque essa tenso existe apenas em uma pequena regio prxima juno. No todo, o componente eletricamente neutro, uma vez que no foram acrescentados nem retirados portadores do cristal.

ASPECTO E REPRESENTAO DO DIODO

Fig.15 Representao do diodo.

O diodo semicondutor representado em diagramas de circuitos eletrnicos pelo smbolo ilustrado na Fig.15. O terminal da seta representa o material p, denominado de nodo do diodo, enquanto o terminal da barra representa o material n, denominado de ctodo do diodo.

A identificao dos terminais do componente real pode aparecer na forma de um smbolo impresso sobre o corpo do componente ou alternativamente, o ctodo do diodo pode ser identificado atravs de um anel impresso na superfcie do componente, conforme ilustrado na Fig. 16.

Fig.16 Formas de identificao dos terminais do diodo semicondutor para dois tipos comuns de encapsulamento.

Observa-se que o comportamento de qualquer componente eletrnico depende diretamente da sua temperatura de trabalho. Essa dependncia trmica um fator importante que deve ser considerado quando se projeta ou se montam circuitos com esses componentes.

APLICAO DE TENSO SOBRE O DIODO

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

Fig.17Diodo submetido polarizao direta.POLARIZAO DIRETA

Polarizao direta uma condio que ocorre quando o lado p submetido a um potencial positivo relativo ao lado n do diodo, conforme ilustrado na Fig. 17.

Nessa situao, o plo positivo da fonte repele as lacunas do material p em direo ao plo negativo, enquanto os eltrons livres do lado n so repelidos do plo negativo em direo ao plo positivo.

Na situao ilustrada na Fig.18, o valor da tenso aplicada ao diodo inferior ao valor VB da barreira de potencial. Nessa condio, a maior parte dos eltrons e lacunas no tm energia suficiente para atravessar a juno.

Como resultado, apenas alguns eltrons e lacunas tm energia suficiente para penetrar a barreira de potencial, produzindo uma pequena corrente eltrica atravs do diodo.

Fig.18Diodo sob polarizao direta para V VB.

Se a tenso aplicada aos terminais do diodo excede o valor da barreira de potencial, lacunas do lado p e eltrons do lado n adquirem energia superior quela necessria para superar a barreira de potencial, produzindo como resultado um grande aumento da corrente eltrica atravs do diodo, como mostrado na Fig. 19.

Quando o diodo est polarizado diretamente, conduzindo corrente eltrica sob a condio V > VB, diz-se que o diodo est em conduo.

Um diodo est em conduo quando polarizado diretamente sob a condio V > VB .

POLARIZAO INVERSA

Fig.20 Diodo sob polarizao inversa.

A polarizao 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 situao, os plos da fonte externa atraem os portadores livres majoritrios em cada lado da juno; ou seja, eltrons do lado n e lacunas do lado p so afastados das proximidades da juno, conforme ilustrado na Fig.21.

Fig.21 Regio de depleo de um diodo sob polarizao inversa.Com o afastamento dos portadores majoritrios, aumenta no s, a extenso da regio de cargas descobertas, como tambm o valor da barreira de potencial atravs da juno.

Com o aumento da barreira de potencial, torna-se mais difcil o fluxo, atravs da juno, de eltrons injetados pela fonte no lado p e de lacunas no lado n. Como resultado, a corrente atravs do diodo tende praticamente a um valor nulo.

Quando o diodo est sob polarizao inversa, impedindo o fluxo de corrente atravs de seus terminais, diz-se que o diodo est em bloqueio ou na condio de corte.

Um diodo inversamente polarizado bloqueia o fluxo de corrente eltrica.

CARACTERSTICA ELTRICA DO DIODO SEMICONDUTOR

sempre conveniente modelar um determinado componente eletrnico atravs de seu circuito equivalente. O circuito equivalente uma ferramenta largamente utilizada em eletrnica para representar um componente com caractersticas no 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 considerado ideal, conforme descrito a seguir.

O DIODO SEMICONDUTOR IDEAL

Por diodo ideal entende-se um dispositivo que apresenta caractersticas ideais de conduo e bloqueio.

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

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 , portanto, o circuito equivalente para o diodo ideal na condio de corte.

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

Tabela 1 Circuitos equivalentes para o diodo ideal.

MODELO SEMI-IDEAL DO DIODO SEMICONDUTOR

O diodo ideal um modelo simplificado do diodo real, pois naquele modelo alguns parmetros relacionados fabricao e s propriedades de materiais semicondutores so desprezados. Modelos mais realsticos do diodo operando em conduo ou em bloqueio so descritos a seguir.

Diodo em conduo

Com respeito s caractersticas de conduo do diodo semicondutor, deve-se levar em conta que o diodo entra em conduo efetiva apenas a partir do momento em que a tenso da fonte externa atinge um valor ligeiramente superior ao valor VB da barreira de potencial.

Deve-se tambm considerar a existncia de uma resistncia eltrica atravs da juno quando o diodo est sob polarizao direta. Essa resistncia existe em qualquer semicondutor, devido a colises dos portadores com a rede cristalina do material. O valor da resistncia interna dos diodos em estado de conduo normalmente inferior a 1(.

Assim, um modelo mais aprimorado para o circuito equivalente do diodo em conduo pode ser obtido pela associao srie de um resistor Rc, representativo da resistncia direta de conduo, com uma fonte de tenso VB correspondente ao valor da barreira de potencial na juno, como mostrado na Fig.22.

Fig.22 Modelo semi-ideal do diodo semicondutor em conduo.

Em situaes em que o diodo utilizado em srie com componentes que exibem resistncias muito superiores sua resistncia de conduo, 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 resistncia externa 1.500 vezes superior resistncia de conduo do diodo, e o erro relativo cometido no clculo da corrente do circuito ao se considerar o diodo como ideal de apenas 1,5%.

Fig.23 Circuito com diodo submetido a conduo e clculo do erro cometido ao se utilizar o diodo ideal como modelo.

Diodo em bloqueio

Efeitos associados temperatura e a absoro de ftons nas proximidades da juno de um diodo, possibilitam a gerao de uma pequena quantidade de portadores minoritrios, ou mais precisamente, lacunas no lado n e eltrons livres no lado p. Conseqentemente, sempre existe uma corrente de fuga, quando o diodo inversamente polarizado, correspondendo passagem de portadores minoritrios atravs da juno. Essa corrente de fuga geralmente da ordem de alguns microampres, o que indica que a resistncia da juno inversamente polarizada pode chegar a vrios megahoms.

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

Fig.24 Circuito equivalente para o diodo em bloqueio.

CURVA CARACTERSTICA DO DIODO

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

Regio de conduo

Durante a conduo, uma corrente Id flui atravs do diodo, conforme ilustrado na Fig.25. A medida que aumenta a corrente injetada Id, a queda de tenso Vd , observada atravs dos terminais do diodo, aumenta muito pouco em relao ao valor VB, como conseqncia do baixssimo valor da resistncia de conduo do diodo.

Fig.25Modelo do diodo no regime de conduo e parmetros utilizados na definio da curva caracterstica.

Uma representao grfica dessa relao tenso(corrente para o caso do diodo de silcio mostrada na Fig.26. Nessa representao, a curva caracterstica do diodo obtida simplesmente pela unio de todos os pontos representativos dos pares de valores possveis de corrente Id e tenso Vd, atravs do diodo no regime de conduo.

Fig.26 Curva caracterstica do diodo de silcio no regime de conduo.

Fig.27Representao de um par de valores de tenso e de corrente na curva caracterstica.

A obteno do valor de tenso V0 que corresponde a um dado valor de corrente I0, feita conforme ilustrado na Fig.27. Deve-se traar 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. Traando-se a partir de P uma linha vertical, obtm-se a interseo com o eixo horizontal no ponto V0 que o valor desejado da queda de tenso nos terminais do diodo.

Atravs da curva verifica-se tambm que, enquanto a tenso sobre o diodo no ultrapassa um valor limite, que corresponde ao potencial da barreira VB, a corrente atravs do diodo permanece muito pequena. Essa condio est indicada na Fig.28, para um tipo de diodo de silcio, onde Id < 6 mA para Vd < 0,7 V. A partir do valor limite VB = 0,7 V, a corrente atravs do diodo pode aumentar substancialmente sem que isso cause um aumento significativo na queda de tenso atravs do diodo. Verifica-se, portanto, que na faixa de valores Vd > 0,7 V, o diodo comporta-se praticamente como um resistor de baixssima resistncia.

Fig.28 Curva caracterstica para um tipo comum de diodo de silcio.Regio de bloqueio

Como discutido anteriormente, existe uma corrente de fuga quando o diodo inversamente polarizado. Essa corrente de fuga aumenta gradativamente com o aumento da tenso inversa nos terminais do diodo. Esse comportamento pode ser observado na regio de tenses e correntes negativas do grfico da curva caracterstica mostrado na Fig.29. Note-se que, para este tipo de diodo de silcio, a corrente de fuga satura no valor de 1 microampre negativo.

Fig.29 Grfico exibindo a poro da curva caracterstica em que o diodo inversamente polarizado.

Como em polarizao direta a corrente tipicamente mais de 1.000 vezes superior ao valor da corrente de polarizao inversa, a representao das duas regies de operao em um mesmo grfico geralmente feita utilizando-se a escala de mA na regio de tenses positivas, e a escala de (A na regio de tenses negativas. Essa forma de representao est ilustrada na Fig.30, para um tipo comum de diodo de silcio, onde se pode visualizar detalhadamente o comportamento da curva caracterstica em ambos os regimes de operao.

Fig.30 Curva caracterstica de um diodo de silcio com escala vertical dupla para detalhar os regimes de polarizao direta e inversa.

LIMITES DE OPERAO DO DIODO

Os limites de operao do diodo em cc estabelecem os valores mximos de tenso e corrente que podem ser aplicados ao componente em circuitos de corrente contnua, sem provocar danos a sua estrutura.

Analisando o comportamento do diodo no regime de conduo, verifica-se que a corrente de conduo o fator diretamente influenciado pelo circuito de alimentao do diodo. A queda de tenso nos terminais do diodo no regime de conduo praticamente independente do circuito, mantendo-se em um valor prximo ao valor do potencial da barreira do dispositivo, ou seja, 0,7 V para o silcio e 0,3 V para o germnio.

No regime de polarizao inversa, a tenso atravs do diodo o parmetro diretamente influenciado pelo circuito de alimentao. A corrente de fuga no muito influenciada pelo circuito externo pois depende apenas das propriedades materiais do diodo.

Dessa forma, os limites de operao do diodo so definidos pela corrente de conduo mxima e tenso inversa mxima descritas a seguir.

Corrente de conduo mxima

A corrente mxima de conduo de um diodo fornecida pelo fabricante em um folheto de especificaes tcnicas. Nesses folhetos, a corrente mxima de conduo aparece designada pela sigla IF, com a abreviao F simbolizando a palavra inglesa forward que significa para a frente, direto(a) etc. Na Tabela 2 so especificados valores de IF para dois tipos comerciais de diodos.

Tabela 2 Valores de IF para dois diodos.

TIPOIF

SKE 1/121,0 A

1n40041,0 A

Tenso inversa mxima

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

Fig.31 Circuito alimentando diodo sob polarizao inversa.

Cada diodo tem a estrutura preparada para suportar um determinado valor mximo da tenso inversa. A aplicao de um valor de tenso inversa superior quele especificado pelo fabricante, provoca um aumento significativo da corrente de fuga suficiente para danificar o componente.

Os fabricantes de diodos fornecem nos folhetos de especificao o valor da tenso inversa mxima que o diodo suporta sem sofrer ruptura. Esse valor designado por VR. Na Tabela 3 esto listadas as especificaes de alguns diodos comerciais com os respectivos valores do parmetro VR.

Tabela 3Especificaes de diodos e tenses inversas mximas correspondentes.

TIPOVR

1N4001 50 V

BY127 800 V

BYX13 50 V

SKE1/121.200 V

TESTE DE DIODOS SEMICONDUTORES

As condies de funcionamento de um diodo podem ser verificadas pela medio da resistncia atravs de um multmetro.

Os testes realizados para determinar as condies de um diodo resumem-se a uma verificao da resistncia do componente nos sentidos de conduo e bloqueio, utilizando a tenso fornecida pelas baterias do ohmmetro. Entretanto, existe um aspecto importante com relao ao multmetro que deve ser considerado ao se testarem componentes semicondutores:

Existem alguns multmetros que, quando usados como ohmmetros, tm polaridade real invertida com relao polaridade indicada pelas cores das pontas de prova.

Isso implica que, para estes multmetros:

Ponta de prova preta

(

Terminal positivoPonta de prova vermelha (

Terminal negativo

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

EXECUO DO TESTE

Para determinar se o diodo est defeituoso, no necessrio identificar os terminais do nodo e do ctodo. Basta apenas conectar as pontas de prova do multmetro aos terminais do diodo e altern-las para verificar o comportamento do diodo quanto s duas polaridades possveis.

A seguir so descritos possveis testes de diodos que podem ser realizados com o multmetro.Diodo em boas condies: O ohmmetro deve indicar baixa resistncia para um sentido de polarizao e alta resistncia 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 resistncia, o diodo est em curto, conduzindo corrente eltrica nos dois sentidos.

Diodo aberto (interrompido eletricamente): Se as duas leituras indicarem alta resistncia o diodo est em aberto, bloqueando a passagem de corrente eltrica nos dois sentidos .

Fig.32Teste das condies do diodo com um multmetro. Neste exemplo, o diodo est em boas condies e a cor vermelha corresponde polaridade positiva.Identificao do nodo e ctodo de um diodo: Em muitas ocasies, a barra de identificao do ctodo no corpo de um diodo pode estar apagada. Nessas situaes, os terminais do diodo podero ser identificados com auxlio do multmetro. O diodo exibe baixa resistncia quando a ponta de prova com a polaridade real positiva conectada ao nodo. Basta, portanto, testar o diodo conectando-se as pontas de prova nas duas posies possveis. Quando o multmetro indicar baixa resistncia, o seu nodo estar conectado ponta de prova com polaridade real positiva.

Apndice

QUESTIONRIO

1. Qual a caracterstica eltrica de um material semicondutor?

2. Quais so as duas formas naturais do carbono puro e quais as suas caractersticas?

3. Quantos eltrons de valncia possuem os seguintes compostos: (a) germnio, (b) silcio, (c) arsnio e (d) fsforo.

4. Qual a caracterstica eltrica de cristais puros formados por tomos tetravalentes?

5. O que a dopagem de um semicondutor?

6. O que so um semicondutores tipo n e tipo p?

7. Que tomos de impureza so utilizados na dopagem do silcio para formar um semicondutor tipo p? E para formar um semicondutor tipo n?

8. O que so lacunas em um semicondutor?

9. De que forma a temperatura altera a condutividade eltrica de um semicondutor?

10. O que ocorre imediatamente aps a formao de uma juno pn?

11. Sob que condies um diodo entra em conduo ou em bloqueio?

12. Quais os circuitos equivalentes referentes ao diodo ideal e semi-ideal?

13. Qual o valor tpico de tenso que deve ser aplicada a um diodo de germnio para que ele conduza? E para o diodo de silcio?

BIBLIOGRAFIA

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SENAI/DN. Reparador de circuitos eletrnicos; Eletrnica Bsica II. Rio de Janeiro, Diviso de Ensino e Treinamento , 1979 (Coleo Bsica SENAI, Mdulo 1).

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