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Diodos de junção
| Topo pág | Fim pág |O princípio básico de operação já foi dado na página Semicondutores I-20. Este tópico retorna ao assunto com informações mais detalhadas.
Conforme o próprio nome, é uma simples junção de um semicondutor tipo P com outro tipo N. A Figura 01 (a) dá uma idéia do arranjo e, em (b), o conhecido símbolo.
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| Figura 01 |
Se nenhum potencial elétrico externo é aplicado, ocorre um natural rearranjo de cargas nas proximidades da junção.
Os portadores negativos do semicondutor N tendem a se difundirem no semicondutor P, atraídos pelos seus portadores positivos. E vice-versa. Esses portadores opostos se combinam e formam, em ambos os lados da junção, uma região com redução (depleção) de portadores livres.
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| Figura 02 |
Se um potencial elétrico externo é aplicado na junção conforme Figura 02, a região de depleção aumenta e quase não há corrente no circuito. Nessa condição, o diodo está inversamente polarizado.
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| Figura 03 |
Nessa condição, o diodo está diretamente polarizado, ou seja, ele conduz.
Na realidade, para a condução ocorrer, o potencial V deve ser um mínimo, superior ao da barreira. Para diodos de germânio esse valor é cerca de 0,3 V. Para diodos de silício, 0,7 V.
A fórmula seguinte expressa a relação da corrente no diodo com a tensão e outras grandezas físicas:
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| Figura 04 |
I = I0 (eqV/kT − 1) #A.1#. Onde:I: corrente no diodo em ampères (A).
I0: corrente de saturação (A).
q: carga do elétron (≈ 1,6 10−19 C).
V: tensão aplicada em volts (V).
k: constante de Boltzmann (≈ 1,38 10−23 J /K).
T: temperatura da junção em kelvin (K).
Se V é positivo, a corrente cresce exponencialmente com a tensão aplicada no diodo.
Na polarização inversa (V negativo), a corrente é quase constante e igual a aproximadamente −I0. Na prática, é claro, existem limites para ambos os lados e a curva corrente x tensão de um diodo típico tem forma parecida com o gráfico da Figura 04 (não há preocupação com escalas no gráfico. Nas aplicações usuais, a corrente inversa é praticamente desprezível em relação à direta).
Notar que, na polarização direta, a tensão pouco varia em uma ampla faixa de corrente. Por isso, é usual considerar a queda de tensão um um diodo diretamente polarizado igual a um dos valores mencionados (0,3 V para germânio e 0,7 V para silício). Observar também que não há menção da temperatura T no gráfico. Assim, ela é considerada constante. Entretanto, se ela variar, a curva também varia e esta propriedade permite que diodos de junção sejam também usados como sensores de temperatura.
É desnecessário dizer que a principal aplicação dos diodos de junção é a retificação de tensões alternadas. Há outros tipos para finalidades específicas, alguns dos quais são vistos nos próximos tópicos desta página.
Diodos de junção: principais parâmetros
| Topo pág | Fim pág |Os diodos reais são especificados por diversos parâmetros, em geral fornecidos nos datasheets dos fabricantes. Segue relação dos principais, com indicação dos nomes e símbolos em inglês porque são assim encontrados em muitas fontes.
Lembrar que vários parâmetros são dependentes de outros, em especial da temperatura. Por isso, os fabricantes costumam informar as condições de cada valor ou fornecem gráficos.
Capacitância típica da junção (CJ - 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 (IFSM - Maximum Peak Forward Current): limitada pela dissipação térmica do diodo.
Corrente direta média máxima (IF(AV) - Maximum Average Forward Current): é limitada basicamente pelas características de dissipação térmica do componente (tamanho, etc).
Corrente inversa máxima (IRM - Maximum Reverse Current): a corrente inversa se aplicada a tensão inversa contínua máxima (VR). 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 (TSTG - Storage Temperature Range): em vários casos, a temperatura máxima de armazenagem é igual à máxima de operação.
Potência dissipada (PD - Power Dissipation): a máxima potência dissipada pelo diodo.
Resistência térmica (Thermal Resistance): dada para junção-ambiente (RJA) ou junção-condutores (RJL). 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 (TJ - 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 (trr - 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 (VF - 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 pode-se 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 (VR ou VDC - Maximum DC Reverse Voltage): a máxima tensão contínua de operação. Seria infinita para um diodo ideal.
Tensão inversa repetitiva máxima (VRRM - Maximum Repetitive Reverse Voltage): a tensão inversa máxima de operação em forma de pulsos repetidos. Seria infinita para um diodo ideal.
Diodos zener
| Topo pág | Fim pág |Quando a tensão inversa aplicada em um diodo atinge determinado valor, ocorre um efeito tipo ruptura. Nessa situação, o diodo passa a conduzir e pequenas variações de tensão produzem grandes variações de corrente, isto é, a curva se torna praticamente vertical.
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| Figura 01 |
Detalhes do mecanismo da ruptura não se encaixam no contexto desta página. Comenta-se apenas que ela pode ocorrer devido ao "efeito avalanche" ou ao "efeito zener". Na prática, ambos os efeitos estão presentes, mas o segundo é predominante nos diodos zener.
A tensão zener é a tensão inversa que se mantém quase constante em uma ampla faixa de corrente.
A Figura 01 deste tópico mostra o aspecto típico da curva de um diodo zener com destaque na área de polarização inversa.
Diodos zener comerciais são produzidos com tensões desde cerca de 4 volts até algumas centenas de volts. São amplamente utilizados para fornecer tensões de referência (constantes) em fontes estabilizadas e outros circuitos.
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| Figura 02 |
O diodo zener deve operar sempre na polarização inversa.
Supõe-se que a tensão zener do diodo seja por exemplo 5,6 V (um valor comercialmente disponível). Se a tensão variável da fonte (V) se mantém acima de 5,6 V, a tensão Vz do circuito será sempre 5,6 V para qualquer valor da tensão da fonte. É evidente que o valor de V não pode subir indefinidamente. Fica limitado pela corrente máxima (Iz max na Figura 01) que o diodo zener pode suportar.
Diodos schottky
| Topo pág | Fim pág |Diodos de junção metal e semicondutor não são coisas recentes. Os primitivos rádios de galena, do início do século XX, usavam um fio metálico e um cristal de galena (sulfeto de chumbo) para formar um diodo detector de radiofreqüência. A Figura 01 (a) mostra o arranjo básico.
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| Figura 01 |
A Figura 01 (b) dá uma idéia do dispositivo e o símbolo elétrico usual.
O principal destaque do diodo schottky é o menor tempo de recuperação, pois não há recombinação de cargas do diodo de junção. Outra vantagem é a maior densidade de corrente, o que significa uma queda de tensão direta menor que a do diodo comum de junção. A contrapartida é uma corrente inversa maior, o que pode impedir o uso em alguns circuitos. São usados principalmente em circuitos de alta freqüência, de alta velocidade de comutação.
Diodos emissores de luz (led)
| Topo pág | Fim pág |Ao passar por uma junção PN, elétrons sofrem transições de níveis de energia e, de acordo com princípios da física quântica, devem emitir alguma radiação. Semicondutores de germânio, de silício e outros comuns não emitem radiação visível. Mas ela é emitida por alguns semicondutores de compostos químicos, como arsenieto de gálio, fosfeto de gálio e índio, etc.
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| Figura 01 |
O diodo led deve ser diretamente polarizado para emitir luz. A Figura 01 dá um circuito básico.
Para a determinação de R uma vez conhecido V, pode-se supor corrente máxima de 20 mA e tensão no diodo de 2 a 2,5 volts.
A tensão inversa máxima da maioria dos leds é pequena, de forma que uma inversão de polaridade com alguns volts pode ser suficiente para danificar.
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