Eletricidade e Eletrônica: Diodos

Diodo semicondutor é um dispositivo ou componente eletrônico composto de cristal semicondutor de silício ou germânio numa película cristalina cujas faces opostas são dopadas por diferentes gases durante sua formação.
É o tipo mais simples de componente eletrônico semicondutor, usado como retificador de corrente elétrica. Possui uma queda de tensão de 0,3 V(germânio) e 0,7 V(silício).

Aparência real do diodo, no mesmo alinhamento que o seu símbolo. O terminal mais próximo da barra fina é o catodo.

Comportamento em circuitos

O diodo é um componente eléctrico que permite que a corrente atravesse-o num sentido com muito mais facilidade do que no outro. O tipo mais comum de diodo é o diodo semicondutor, no entanto, existem outras tecnologias de diodo. Diodos semicondutores são simbolizados em diagramas esquemáticos como na figura abaixo. O termo "diodo" é habitualmente reservado a dispositivos para sinais baixos, com correntes iguais ou menores a 1 A.

Quando colocado em um simples circuito bateria-lâmpada, o diodo vai permitir ou impedir corrente através da lâmpada, dependendo da polaridade da tensão aplicada, como nas duas figuras abaixo.

Na imagem da esquerda o diodo está diretamente polarizado, há corrente e a lâmpada fica acesa. Na imagem da direita o diodo está inversamente polarizado, não há corrente, logo a lâmpada fica apagada.
O diodo funciona como uma chave de acionamento automático (fechada quando o diodo está directamente polarizado, e aberta quando o diodo está inversamente polarizado), a diferença mais substancial é que quando diretamente polarizado há uma queda de tensão no diodo muito maior do que a que geralmente há em chaves mecânicas, no caso do diodo de silício, 0,7 V; assim, uma fonte de tensão de 10 V polarizando diretamente um diodo em série com uma resistencia, fará com que haja uma queda de tensão de 9,3 V na resistencia, pois 0,7 V ficam no diodo. Na polarização inversa acontece o seguinte, o diodo fará papel de uma chave aberta, já que não circula corrente, não haverá tensão no resitor, a tensão ficará toda retida no diodo, ou seja, nos terminais do diodo haverá uma tensão de 10 V.
A principal função de um diodo semicondutor, em circuitos retificadores de corrente, é transformar corrente alternada em corrente contínua pulsante, já que no semiciclo negativo de uma corrente alternada o diodo fará a função de uma chave aberta, não circulará corrente elétrica no circuito (considerando o “sentido convencional de corrente”, do “positivo” para o “negativo”). A principal função de um diodo semicondutor, em circuitos de corrente contínua, é controlar o fluxo da corrente, permitindo que a corrente elétrica circule apenas em um sentido.

A dopagem do diodo semicondutor e os cristais P e N

A dopagem no diodo é feita pela introdução de elementos dentro de cristais tetravalentes, normalmente feitos de silício e germânio. Dopando esses cristais com elementos trivalentes, obterá átomos com sete elétrons na camada de valência, que necessitam de mais um elétron para a neutralização (cristal P). Para a formação do cristal P, utiliza-se principalmente o elemento Indio. Dopando os cristais tetravalentes com elementos pentavalentes, obter-se-á átomos neutralizados(com oito elétrons na camada de valência) e um elétron excedente (cristal N).
Para a formação do cristal N, utiliza-se principalmente o elemento Fósforo. Quanto maior a intensidade da dopagem, maior será a condutibilidade dos cristais, pois suas estruturas apresentarão um número maior de portadores livres (lacunas e elétrons livres) e poucas impurezas que impedem a condução da corrente elétrica. Outro fator que influencia na condução desses materiais é a temperatura. Quanto maior for sua temperatura, maior será a condutibilidade pelo fato de que a energia térmica ter a capacidade de quebrar algumas ligações covalentes da estrutura, acarretando no aparecimento de mais portadores livres para a condução de corrente elétrica.
Após dopadas, cada face dos dois tipos de cristais (P e N)terá uma determinada característica diferente da oposta, gerando regiões de condução do cristal, uma com excesso de elétrons, outra com falta destes (lacunas), e entre ambas, haverá uma região de equilíbrio por recombinação de cargas positivas e negativas, chamada de região de depleção (à qual possui uma barreira de potencial).

Polarização do diodo

Gráfico mostra a curva característica do comportamento do diodo em sua polarização direta e inversa

A polarização do diodo é dependente da polarização da fonte geradora. A polarização é direta quando o pólo positivo da fonte geradora entra em contato com o lado do cristal P(chamado de anodo) e o pólo negativo da fonte geradora entra em contato com o lado do cristal N(chamado de catodo). Assim, se a tensão da fonte geradora for maior que a tensão interna do diodo, os portadores livres se repelirão por causa da polaridade da fonte geradora e conseguirão ultrapassar a junção P-N, movimentando-os e permitindo a passagem de corrente elétrica. A polarização é indireta quando o inverso ocorre. Assim, ocorrerá uma atração das lacunas do anodo(cristal P) pela polarização negativa da fonte geradora e uma atração dos elétrons livres do catodo(cristal N) pela polarização positiva da fonte geradora, sem existir um fluxo de portadores livres na junção P-N, ocasionando no bloqueio da corrente elétrica. Pelo fato de que os diodos fabricados não são ideais(contém impurezas), a condução de corrente elétrica no diodo (polarização direta) sofre uma resistência menor que 1 ohm, que é quase desprezível. O bloqueio de corrente elétrica no diodo (polarização inversa) não é total devido novamente pela presença de impurezas, tendo uma pequena corrente que é conduzida na ordem de microampéres, chamada de corrente de fuga, que também é quase desprezível.

Testes com o diodo

Os diodos, assim como qualquer componente eletrônico, operam em determinadas correntes elétricas que são especificadas em seu invólucro ou são dadas pelo fabricante em folhetos técnicos. Além da corrente, a voltagem inversa(quando o diodo está polarizado inversamente) também é um fator que deve ser analisado para a montagem de um circuito e que tem suas especificicações fornecidas pelo fabricante. Se ele for alimentado com uma corrente ou tensão inversa superior a que ele suporta, o diodo pode ser danificado, ficando em curto ou em aberto. Utilizando de um ohmímetro ou um multímetro com teste de diodo, pode-se verificar se ele está com defeito. Colocando-se as pontas de prova desses aparelhos nas extremidades do diodo(catodo e ânodo), verifica-se que existe condução quando se coloca a ponteira positiva no ânodo e a negativa no catodo, além de indicar isolação quando ocorre o inverso. Assim o díodo está em perfeitas condições de operação e com isso é possível a localização do catodo e do ânodo, porém se os aparelhos de medição indicarem condução dos dois caminhos do díodo, ele está defeituoso e em curto. Se os aparelhos de medição indicarem isolação nos dois caminhos, ele também está defeituoso e em aberto.

Usos

O fenômeno da condutividade em um só sentido é aproveitado como um chaveamento da corrente elétrica para a retificação de sinais senoidais, portanto, este é o efeito diodo semicondutor tão usado na eletrônica, pois permite que a corrente flua entre seus terminais apenas numa direção. Esta propriedade é utilizada em grande número de circuitos eletrônicos e nos retificadores.
Os retificadores são circuitos elétricos que convertem a tensão CA (AC) em tensão CC (DC). CA vem de Corrente alternada, significa que os elétrons circulam em dois sentidos, CC (DC), Corrente contínua, isto é circula num só sentido.
A certa altura o potencial U , formado a partir da junção n e p não deixa os eletrons e lacunas movimentarem-se, este processo dá-se devida assimetria de cargas existente.

Tipos de diodos semicondutores

Os diodos são projetados para assumir diferentes características: diodos retificadores são capazes de conduzir altas correntes elétricas em baixa frequência, diodos de sinal caracterizam-se por retificar sinais de alta frequência, diodos de chaveamento são indicados na condução de altas correntes em circuitos chaveados. Dependendo das características dos materiais e dopagem dos semicondutores há uma gama de dispositivos eletrônicos variantes do diodo: