O DIODO E A JUNO PN

CAPTULO 1 O diodo e a juno PN

1 O DIODO E A JUNO PNNa moderna tecnologia de fabricao de dispositivos discretos e de circuitos integrados, trs materiais so fundamentais:

Condutores

Isolantes

Semicondutores

Nesta classificao, est se considerando uma propriedade destes materiais que representa a facilidade (ou dificuldade) para a circulao de uma corrente eltrica.

Esta propriedade a resistividade (( - expressa em [(.m]) e, a seguir, temos valores tpicos para alguns materiais dentro das trs categorias:

MATERIALTIPO( - [(.m]

COBRECONDUTOR10-6

MICAISOLANTE1012

SILCIOSEMICONDUTOR50.103

1.1 SILCIO

O material semicondutor mais usado o silcio. Um tomo isolado de silcio possui 14 prtons e eltrons. Conforme mostrado na figura abaixo, a primeira rbita contm 2 eltrons e a segunda, 8 eltrons. Os 4 eltrons restantes esto na rbita externa ou de valncia.

A ltima rbita (rbita de Valncia) a mais importante, pois determina as propriedades qumicas e eltricas do material. Por possuir 4 eltrons nesta rbita o Si dito ser tetravalente.

1.2 NVEIS DE ENERGIA DOS ELTRONSImportante ressaltar que os eltrons apresentam nveis discretos de energia ocupando somente rbitas bem definidas em relao ao ncleo.Existe um gap de energia entre as rbitas. Para que um eltron passe de uma rbita inferior para uma superior, ele precisa receber energia (no mnimo a energia do gap). Esta energia pode estar na forma de luz, calor, choque com outra partcula, etc. Para passar de uma rbita superior para uma inferior o eltron deve liberar energia (luz, calor, por exemplo).O nmero de rbitas possveis de serem ocupadas infinito, no entanto, existe um ponto em que o eltron est em uma rbita to distante que pode ser considerado um eltron livre e o tomo se torna um on positivo.

1.3 LIGAES COVALENTESA rbita de valncia se satura com 8 eltrons conferindo ao material estabilidade qumica .

Os tomos de silcio, ento, arranjam-se de tal forma que cada um deles possua, dinamicamente, 8 eltrons em sua rbita de valncia. Esta unio entre os tomos chamada ligao covalente (compartilhamento de eltrons de valncia).

A estrutura passa a receber o nome de Cristal de Si (uma estrutura cristalina um arranjo de tomos que se repete regularmente no espao).O cristal de silcio obtido atravs de processos de purificao obtendo-se o que se denomina de Silcio Intrnseco.

1.4 GERAO TRMICA DE PARES ELTRONS-LACUNA E RECOMBINAOAo ceder energia trmica para o cristal de silcio alguns eltrons quebram as suas ligaes covalentes e passam para a banda de conduo. Uma ligao covalente quebrada recebe o nome de lacuna e sempre sero gerados ao pares, ou seja, a quebra de uma ligao covalente gera um par eltron-lacuna e, particularmente, por estar se considerando uma energia trmica tem-se a gerao trmica de pares eltron-lacuna.

Eventualmente, um eltron livre encontra uma lacuna e pode voltar a ocupar esta ligao covalente que havia sido quebrada. Este processo se chama recombinao e o eltron deve perder energia. Normalmente, a devoluo de energia se faz na forma de calor e/ou emitindo luz. Para uma temperatura ambiente constante tem-se uma situao de equilbrio entre a gerao trmica de pares eltron-lacuna e a recombinao

1.5 SEMICONDUTORES INTRNSECOS

Um semicondutor intrnseco um semicondutor puro. Um cristal ser semicondutor intrnseco se todos os tomos do cristal forem de silcio. Na temperatura ambiente, um cristal de silcio comporta-se como um isolante aproximadamente, porque ele tem apenas alguns eltrons e lacunas produzidas pela energia trmica.

1.6 DOPAGEM DE UM SEMICONDUTOR

Uma forma de aumentar a condutibilidade de um semicondutor pela dopagem. Isso significa adicionar impurezas aos tomos de um cristal intrnseco para alterar sua condutibilidade eltrica. Um semicondutor dopado chamado semicondutor extrnseco.

1.6.1 Impureza Doadora Semicondutor Tipo NSo adicionados tomos pentavalentes (com 5 eltrons na camada de valncia. Ex.: Fsforo, Antimnio e Arsnio). O tomo pentavalente entra no lugar de um tomo de silcio dentro do cristal absorvendo as suas quatro ligaes covalentes, e fica um eltron fracamente ligado ao ncleo do pentavalente (uma pequena energia suficiente para se tornar livre).

O cristal que foi dopado com impureza doadora chamado semicondutor tipo n, onde n est relacionado com negativo. Como os eltrons livres excedem em nmero as lacunas num semicondutor tipo n, os eltrons so chamados portadores majoritrios e as lacunas, portadores minoritrios.

1.6.2 Impureza aceitadora Semicondutor Tipo PSo adicionados tomos trivalentes (tem 3 eltrons na camada de valncia. Ex.: Boro, alumnio, glio e ndio). O tomo trivalente entra no lugar de um tomo de silcio dentro do cristal absorvendo trs das suas quatro ligaes covalentes. Isto significa que existe uma lacuna na rbita de valncia de cada tomo trivalente.

O cristal que foi dopado com impureza aceitadora chamado semicondutor tipo p, onde p est relacionado com positivo. Como as lacunas excedem em nmero os eltrons livres num semicondutor tipo p, as lacunas so chamadas portadores majoritrios e os eltrons livres, portadores minoritrios.

1.7 JUNO PN - DIODO

A unio de um cristal tipo p e um cristal tipo n obtm-se uma juno pn, que um dispositivo de estado slido simples: o diodo semicondutor de juno.

Devido repulso mtua os eltrons livres do lado n espalham-se em todas as direes, alguns atravessam a juno e se combinam com as lacunas. Quando isto ocorre, a lacuna desaparece e o tomo associado torna-se carregado negativamente. (um on negativo)

Cada vez que um eltron atravessa a juno ele cria um par de ons. Os ons esto fixo na estrutura do cristal por causa da ligao covalente. medida que o nmero de ons aumenta, a regio prxima juno fica sem eltrons livres e lacunas. Chamamos esta regio de camada de depleo. Depleo significa diminuio ou ausncia e, neste caso, esta palavra corresponde ausncia de portadores majoritrios na regio prxima juno PN.Alm de certo ponto, a camada de depleo age como uma barreira impedindo a continuao da difuso dos eltrons livres. A intensidade da camada de depleo aumenta com cada eltron que atravessa a juno at que se atinja um equilbrio.

A diferena de potencial atravs da camada de depleo chamada de barreira de potencial. A 25C esta barreira de 0,7V para o silcio e 0,3V para o germnio.

O smbolo mais usual para o diodo mostrado a seguir:

1.8 POLARIZAO DE UM DIODO

Polarizar um diodo significa aplicar uma diferena de potencial s suas extremidades. Supondo uma bateria sobre os terminais do diodo, h uma polarizao direta se o plo positivo da bateria for colocado em contato com o material tipo p e o plo negativo em contato com o material tipo n.

1.8.1 Polarizao DiretaA polarizao direta ocorre quando o potencial positivo da fonte encontra-se ligado ao lado P e o potencial negativo no lado N. Com a tenso da fonte maior que a tenso da barreira de potencial, os eltrons do lado N ganham mais energia porque so repelidos pelo terminal negativo da fonte, rompem a barreira de potencial e so atrados pelo lado P, atravessando, assim, a juno.No lado P, eles recombinam-se com as lacunas, tornando-se eltrons de valncia, mas continuam deslocando-se de lacuna em lacuna, pois so atrados pelo terminal positivo da fonte, formando-se uma corrente eltrica de alta intensidade (ID), fazendo com que o diodo semicondutor se comporte como um condutor.

1.8.2 Polarizao ReversaA polarizao reversa ocorre quando o potencial negativo da fonte encontra-se ligado no lado P e o potencial positivo no lado N. Por causa da polarizao reversa, os eltrons do lado N so atrados para o terminal positivo e as lacunas para o terminal negativo da fonte, aumentando, assim, a camada de depleo e, consequentemente, a barreira de potencial.

Desta forma, os portadores majoritrios de cada lado do diodo (lacunas no lado P e eltrons no lado N) no circulam pelo circuito.

1.9 CURVA CARACTERSTICA DE UM DIODOA curva caracterstica de um diodo um grfico que relaciona cada valor da tenso aplicada com a respectiva corrente eltrica que atravessa o diodo.

1.9.1 Polarizao direta Tenso de Joelho

Ao se aplicar a polarizao direta, o diodo no conduz intensamente at que se ultrapasse a barreira potencial. medida que a bateria se aproxima do potencial da barreira, os eltrons livres e as lacunas comeam a atravessar a juno em grandes quantidades. A tenso para a qual a corrente comea a aumentar rapidamente chamada de tenso de joelho. (No Si aprox. 0,7V).

1.9.2 Polarizao Reversa

O diodo polarizado reversamente passa uma corrente eltrica extremamente pequena, (chamada de corrente de fuga).

Se for aumentando a tenso reversa aplicada sobre o diodo, chega um momento em que atinge a tenso de ruptura (varia muito de diodo para diodo) a partir da qual a corrente aumenta sensivelmente.

Salvo o diodo feito para tal, os diodos no podem trabalhar na regio de ruptura.

1.9.3 Grfico Completo

1.10 RESISTOR LIMITADOR DE CORRENTENum diodo polarizado diretamente, uma pequena tenso aplicada pode gerar uma alta intensidade de corrente. Em geral um resistor usado em srie com o diodo para limitar a corrente eltrica que passa atravs deles.

RS chamado de resistor limitador de corrente. Quanto maior o RS, menor a corrente que atravessa o diodo e o RS.

1.10.1 Reta de Carga

Sendo a curva caracterstica do diodo no linear, torna-se complexo determinar atravs de equaes o valor da corrente e tenso sobre o diodo e resistor. Um mtodo para determinar o valor exato da corrente e da tenso sobre o diodo, o uso da reta de carga. Baseia-se no uso grfico das curvas do diodo e da curva do resistor.

Na figura acima, a corrente I atravs do circuito a seguinte:

No circuito em srie a corrente a mesma no diodo e no resistor. Se forem dadas a tenso da fonte e a resistncia RS, ento so desconhecidas a corrente e a tenso sob o diodo. Se, por exemplo, no circuito da Figura anterior o VS =2V e RS = 100(, ento:

Para traar a reta de carga, procede-se da seguinte forma:1) Determina-se a tenso de corte VC (tenso no diodo quando ele est aberto)

2)Determina-se a corrente de saturao IS (corrente no diodo quando ele est aberto)

3) Traa-se a reta de carga sobre a curva caracterstica do diodo.

4) O ponto quiescente (VD e ID) corresponde exatamente s coordenadas do ponto Q onde a reta de carga intercepta a curva caracterstica do diodo.

(I=0A,V=2V) Ponto de corte=corrente mnima do circuito.

(I=20mA, V=0V) Ponto de saturao = corrente mxima do circuito.

(I=12mA, V=0,78V) Ponto de operao ou quiescente = representa a corrente atravs do diodo e do resistor. Sobre o diodo existe uma tenso de 0,78V.

1.11 APROXIMAES DO DIODOAo analisar ou projetar circuitos com diodos se faz necessrio conhecer a curva do diodo, mas dependendo da aplicao pode-se fazer aproximaes para facilitar os clculos.

1.11.1 1 APROXIMAO (DIODO IDEAL)Um diodo ideal se comporta como um condutor ideal quando polarizado no sentido direto e como um isolante perfeito no sentido reverso, ou seja, funciona como uma chave aberta.

1.11.2 2 APROXIMAOLeva-se em conta o fato de o diodo precisar de 0,7V para iniciar a conduzir.

Pensa-se no diodo como uma chave em srie com uma bateria de 0,7V.1.11.3 3 APROXIMAO

Na terceira aproximao considera a resistncia interna do diodo.

PAGE 9Engenharia Mecnica Eletrnica e InstrumentaoProfessora Juliana Barbosa

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