Diodos - (quase) tudo que você precisa saber sobre

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Você sabe qual a função, como são feitos e para que serve este componente que é a base da eletrônica digital? Então confira conosco.

 

O que é e como funciona um Diodo de Junção?

 

Diodo de Junção é uma estrutura formada a partir de uma junção PN, que por sua vez é a estrutura básica que compõe os semicondutores, tais como os próprios diodos e os transistores. É o mais simples dos componentes eletrônicos, e, como veremos abaixo, pode servir como um isolante ou condutor, dependendo de sua polarização.

 

O diodo é formado por uma junção entre um cristal tipo P (lado positivo – também chamado de ânodo) e outro tipo N (lado negativo – também chamado de cátodo). Dentro desses cristais, compostos por Silício (mais comum) ou Germânio serão inseridas impurezas (prática chamada de dopagem), que nada mais são do que átomos de Boro. A escolha por este elemento decorre do fato de que por ele ser impuro, um trivalente, no lado P sempre irá haver uma lacuna, ou seja, ficará faltando 1 elétron para completar 8 e estabilizar o semicondutor. Já no lado N ocorre o inverso: Preenchido com Silício (ou Germânio) e com Fósforo, esse cristal irá sempre ter 1 elétron a mais, já que o fósforo possui 5 elétrons na última camada, restando 1 após a ligação covalente.

 

Embora os cristais separados não tenham muita representatividade, quando ligados entre si a mágica acontece. Ao juntarem-se, as lacunas do lado P atraem o elétron que está sobrando no lado N, equilibrando o diodo, já que, segundo as leis da física, cargas opostas atraem-se. Tal ato chama-se recombinação. No entanto, é preciso ressaltar que este amalgamento só é feito no centro, onde as forças de atração são mais fortes. Naquela área, todos ficarão com 8 elétrons na última camada, ficando estáveis quimicamente. Os mais distantes, porém, não sofrem a recombinação. Esta zona de estabilidade pode ser chamada de camada de depleção, ou, barreira de potencial.

 

Para ser usada, a junção pode ser polarizada reversamente, que será quando a corrente sairá do polo negativo da bateria e entrará no cristal P (lado positivo) e sairá na ponta do cristal N (lado negativo), indo para a ponta positiva da bateria. Com esse método acontecerá a mesma atração de opostos que vimos acima: A corrente que sairá do lado negativo da bateria vai atrair as lacunas do lado positivo do diodo, e a corrente elétrica do polo positivo da bateria vai atrair os elétrons em excesso do lado negativo do diodo. Com este processo as respectivas cargas concentrar-se-ão nos extremos do diodo, criando uma enorme camada de depleção, fazendo com que a corrente elétrica não consiga circular por ele. Por isso que um diodo polarizado reversamente não conduz energia.

 

Outra forma em que pode ser encontrado o diodo é através da junção PN polarizada diretamente. Ao contrário do exemplo anterior, esse ligará o polo positivo da bateria com o lado positivo do diodo e o negativo com o negativo. Assim, na prática, haverá uma repulsão da corrente e dos elétrons presentes no diodo. Com tal fenômeno os mesmos irão se afastar das extremidades, aproximando-se do centro e diminuindo a zona de depleção. Quanto maior a carga elétrica aplicada, maior a repulsa e o afastamento e menor a zona de depleção, até chegar ao ponto em que ela inexiste e os elétrons estarão livres para recombinarem-se (cerca de 0,7 volts para diodos de silício e 0,3 para os de germânio). Isso ocorrerá tanto no sentido real como convencional da corrente.

Veja como a carga vai aumentando e, a camada depleção vai inversamente e proporcionalmente diminuido até sumir

 

Entre as principais aplicações do diodo, podemos citar:

 

Em tudo que envolvemos energia elétrica estamos inevitavelmente envolvendo risco de danos, isso serve tanto para um controle remoto, um eletrodoméstico, etc. Porém, o Diodo de Junção é utilizado para minimizar os riscos de estrago nos aparelhos. Funciona assim: Como vimos anteriormente, ao colocarmos um deles em um componente e fazermos as respectivas ligações, teremos um lado que passa corrente, e um outro que corta a corrente. Assim, utilizando o lado que não deixa passar eletricidade podemos, por exemplo, evitar o dano de uma pilha colocada ao contrário no controle remoto.

 

Um outra aplicação do diodo, e talvez uma das mais importantes, é a transformação de corrente alternada (AC) em corrente contínua (CC), em um processo que é conhecido como “Retificação”. Esse processo faz-se necessário pelo fato de que a energia que sai das nossas tomadas é alternada e a grande maioria dos nossos eletrodomésticos funcionam em corrente contínua. Dessa forma, dentro do nosso equipamento será feita uma conversão por meio do diodo, fazendo com que todos funcionem certinho e sem maiores riscos.

Os diodos ainda podem ser usados como Led’s. Porém, para que este processo ocorra e eles passem a emitir luz, terão de ter uma polarização e uma composição química um pouco diferente. Na prática a luz é emitida após a corrente passar por ele e gerar uma radiação luminosa. Dessa forma o diodo pode estar presente em praticamente todos os cantos, desde semáforos até a luzinha do controle remoto (gerando o sinal infravermelho que passa instruções ao eletrônico e que não enxergamos).

 

Em uma última aplicação bem usual do diodo podemos citar a queda de tensão que ele força a ocorrer. Por exemplo, se tivermos uma corrente de 10 volts e nosso componente suportar apensa 7 volts, poderemos usar alguns diodos para impelir uma queda de tensão. Neste caso usaríamos, por exemplo, 5 diodos. A conta é feita da seguinte maneira: Como dissemos anteriormente, a resistência do diodo de junção composto de silício é de 0,7 volts. Nesse caso, se colocássemos 5 deles, conseguiríamos gerar uma resistência de 3,5 voltas, fazendo a tensão cair de 10 para 6,5 volts.

 

Classificação dos diodos

 

Os diodos podem ser classificados em Diodos Real ou Ideal:

 

Diodo Ideal: Tem esse nome por existir somente na teoria, ou seja, ele não é real. Existe somente para que os criadores de diodos, técnicos em eletrônicas tenham um norte a seguir, como, por exemplo, quanto às características, limites, capacidades, etc. Este diodo conduz a partir de 0 volts quando polarizado diretamente (fato que só é possível por ele ser perfeito e existir apenas no mundo teórico).

 

Diodo Real: Já o diodo existente e palpável apresenta as características que de fato ocorrem. Por exemplo, quanto à condução, como vimos acima, se dá a partir de 0,7 volts se for de Silício e 0,3 volts se for de Germânio.

 

Curva V/I

 

Independentemente do tipo de diodo utilizado, podemos ver como ele se comporta ao analisarmos a curva V/I projetada no gráfico. Por exemplo, no caso da polarização direta, podemos ver que o diodo real começa a subir apenas 0,4 ou 0,5 volts, “subindo” plenamente quando chega na casa dos 0,7 (se for de silício). Já no Ideal, a curva não é bem uma curva, e sim uma coluna, já que ele, por ser perfeito, conduz a partir de 0,000000...1 volts.

Diodo Real - note os pontos de subida e de avalanche

 

Já ao analisarmos a curva no caso de uma polarização reversa veremos que o Real só irá mostrar sinais de declínio quando bater na casa dos 700 volts. Esse será o ponto chamado de Tensão de Ruptura (VBr), ou seja, o limite até o qual ele consegue segurar corrente. Quando chegar aqui o diodo receberá uma forte descarga e em questão de microssegundos (esse processo chama-se Avalanche) queimará. Por outro lado, o diodo ideal, por ser perfeito, alcançaria infinita tensão, ou seja, poderia cair um raio e entrar no diodo que não sairia na outra ponta.

 

Tipos de diodos

 

Existem diversos tipos de diodos, entre eles podemos citar:

 

Diodo Varicap: Possui uma capacidade variável em função da tensão aplicada a ele. Seu uso é basicamente para servir como condensadores variáveis cuja capacitância altera-se de acordo com a tensão aplicada.

 

Fotodiodo: Assim como uma junção PN pode emitir luz quando é percorrida por uma corrente (transformando-se em um LED, como vimos acima), o processo contrário também é possível, ou seja, a luz pode gerar corrente elétrica quando passar por uma junção desse tipo. O fotodiodo precisa trabalhar com polarização inversa e, por sua vez, subdivide-se em fotovoltaico e fotocondutor.

 

O primeiro deles é aquele em que a tensão gerada é muito baixa, e comumente faz-se necessário o uso de um amplificador operacional, diferencia-se também por serem os pulsos de saída invertidos em relação aos pulsos de entrada;

Fotodiodo fotovoltaico

 

Já no segundo, o fotodiodo é polarizado por um potencial de uma fonte externa.

Fotodiodo fotocondutor

 

Diodo Schottky: Construído em 3 camadas, sendo que a primeira tema  menor dopagem, sua principal característica é ser construído com um metal ao invés de um material semicondutor tipo P. Por causa disso não haverá lacunas que possam ser preenchidas com elétrons excedentes vindos dos outros materiais durante a corrente direta. Uma de suas vantagens é que por não haver recombinação de cargas do diodo de junção, o tempo de recuperação será menor, além disso, a sua densidade de corrente é maior, o que acarreta, em relação ao diodo de junção comum, uma queda de tensão direta. Como ônus, esse tipo de diodo possui uma corrente inversa maior, o que pode impedir o seu uso em alguns tipos de circuitos. Atualmente, seu principal uso se dá em circuitos de alta frequência, de alta velocidade de comutação.

 

Diodos Túnel: Pouco utilizados hoje em dia, caracterizam-se por serem diodos com elevadas taxas de impurezas em ambas as camadas. Como consequência direta disso teremos uma região de depleção muito estreita (apenas alguns átomos de espessura), e, com essa proximidade, o efeito túnel. Na prática significa dizer que haverá resistência negativa, ou seja, a corrente diminui de acordo com o aumento da tensão. Essa característica de resistência negativa constitui-se como uma vantagem, já que com tamanha dopagem, a maior parte dos portadores serão lacunas, e que, consequentemente, poderão aceitar muitos elétrons, e com isso, aguentar frequências elevadas. Isso é particularmente apreciado em alguns processos, como na construção de osciladores, por exemplo. Como ponto negativo: baixa potência e custo mais elevado para o fábrico.

 

Diodo Gunn: Por ser construído apenas com o “lado” N possui a capacidade de ser usado como um potente oscilador local, onde cobre as frequências de microondas que variam de 1Ghz até mais de 100Ghz. Importante dizer que ele também possui características de resistência negativa.

 

Diodo PIN: Assim como o nome indica, este diodo possui uma camada I (de intrínseca) entre as camadas P e N. Quando diretamente polarizado, as lacunas e elétrons são injetados na camada I e as cargas não se anulam imediatamente, resistindo ainda por um certo tempo. Com isso teremos uma carga média que vai possibilitar a condução. Já quando estiver com a polarização nula ou inversa, não haverá carga armazenada e o diodo funcionará como um condensador.

 

Se a tensão aplicada for contínua ou de baixa frequência ele terá um comportamento bastante similar ao do diodo de junção PN convencional. Agora, se operar em frequências mais elevadas (desde que por períodos inferiores ao tempo de duração das cargas) a resistência apresentará uma variação característica com a corrente. Por este motivo é que ele pode ser aplicado em diversas situações que têm alta frequência, como atenuadores, filtros, etc.

 

Fontes: oficinadanet.com.br, Eletronica Pt e Canal “Gabriel Vinicius Silva Maganha” no YouTube

[Wallace Bertolaccini]

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