Este capítulo consta dos itens abaixo. Caso queira ir direto a algum item, clique nele.

Devido a dificuldades que muitos estudantes enfrentam ao estudar diodos, optamos por começar a estudá-los baseado no princípio dos antigos diodos, tipo válvulas eletrônicas, também muito conhecidos pelo nome de diodos à vácuo.

Voltar ao Topo

Assim que o engenheiro americano Thomas Edson inventou a lâmpada incandescente, final do século XIX, baseado no princípio de um filamento, normalmente fabricado com o elemento químico tungstênio (nos dias de hoje), alimentado com uma tensão elétrica e encapsulada em um bulbo de vidro a baixa pressão, surgiram várias experiências que levaram a um desenvolvimento tecnológico bastante revolucionário para a época.

No início do século XX, os cientistas já tinham conhecimento de elementos químicos que quando eram submetidos a altas temperaturas, os elétrons ganhavam energia cinética suficiente para se libertarem dos seus átomos e criar uma nuvem de carga elétrica na superfície do metal. Bastava colocar outro eletrodo, com polaridade adequada, próximo ao primeiro, para estabelecer uma corrente elétrica entre eles. E assim, nasceu a válvula eletrônica.

Na Figura 61-01 mostramos uma representação esquemática de como é a distribuição dos eletrodos no interior de uma válvula eletrônica. Repare que o cátodo possui um formato cilíndrico, envolvendo completamente o filamento. Quando aplicamos uma tensão elétrica ao filamento, este fica rubro e consegue chegar a uma temperatura ao redor dos 1000°C. Esta elevada temperatura do filamento, faz com que o cátodo, indiretamente, se aqueça e libere elétrons. O filamento em geral trabalha com uma tensão de 6,3 VAC. Existem válvulas que trabalham com tensões diferente desta. Este tipo de construção de válvulas eletrônicas, com o eletrodo cátodo incorporado, são chamadas de válvulas de aquecimento indireto. Isto devido ao fato das primeiras válvulas não possuírem cátodo. Quem era responsável em emitir elétrons era o próprio filamento. O incoveniente era que o filamento, obrigatoriamente, deveria ser alimentado por corrente contínua, pois não deveria haver variações de tensão no eletrodo. Este tipo de válvula foi chamada de válvula de aquecimento direto. Caiu em desuso rapidamente.

O cátodo por sua vez é aterrado, assumindo uma carga negativa em relação ao ânodo. No meio técnico, o ânodo é mais conhecido como placa. A placa é o eletrodo que recebe a tensão positiva em relação ao cátodo. Esta tensão positiva, gera um campo elétrico entre os dois eletrodos. Porém, sabemos que uma carga elétrica sofre uma força quando está sob efeito de um campo elétrico. E conhecemos sua magnitude, que é expressa pela relação abaixo:

Esta força acelera o elétron em direção à placa. Dessa forma, estabelece-se uma corrente elétrica entre o cátodo e placa. Mas sabemos que a carga do elétron é constante, ou q = 1,6 x 10^-19 C. Então, a única maneira de aumentarmos a força exercida sobre os elétrons é aumentando o valor do campo elétrico. E isso é muito fácil de providenciar. Basta aumentar a tensão elétrica da placa. Logo, uma das maneiras de controlar a corrente elétrica através do diodo é variando a tensão de placa. Na Figura 61-02 apresentamos um gráfico mostrando a dependência da corrente no diodo em função da tensão de placa.

Por outro lado, fica evidente que quando aplicamos na placa uma tensão negativa em relação ao cátodo, NÃO há fluxo de corrente elétrica no diodo, pois a força age no sentido de manter os elétrons no cátodo. Logo concluímos que:

Voltar ao Topo

O diodo semicondutor, inicialmente, foi uma alternativa ao diodo à vácuo, haja vista que este necessitava de uma boa potência para funcionar adequadamente. Por sua vez, o diodo semicondutor, como não tem filamento, praticamente não consume potência.

Semicondutores são substâncias químicas que apresentam uma natureza cristalina e possuem propriedades entre os condutores e os não condutores. Como sabemos, os elétrons orbitam o núcleo do átomo formando camadas distintas, em um número máximo de 7 camadas. Essas camadas recebem a denominação de K, L, M, N, O, P, Q.

Os elétrons que transitam na camada mais externa do átomo são chamados de elétrons de valência. Dessa forma, os átomos conseguem gerar ligações entre si de várias formas diferentes. No caso da Eletrônica, a ligação de maior interesse é a denominada ligação COVALENTE. Essa ligação se caracteriza pelo compartilhamento de elétrons da camada de valência com os átomos vizinhos. Como exemplo, podemos citar o silício, que possui 4 elétrons na camada de valência. Esses 4 elétrons são compartilhados com os elétrons da camada de valência dos átomos vizinhos, gerando um cristal bem estruturado.

Na Figura 61-03 mostramos a estrutura de um cristal de silício. Pode acontecer de a estrutura covalente ser "quebrada". Nesse caso, um elétron é arrancado da ligação covalente, tornando-se um elétron livre. Em seu lugar, surge um local vazio que recebe a denominação de lacuna ou buraco e considera-se que possui carga positiva devido à ausência do elétron. As lacunas não têm existência real, pois são espaços vazios. Sempre que acontece a quebra de uma ligação covalente, como consequência, surge simultâneamente um elétron livre e uma lacuna. No entanto, é possível ocorrer o inverso, isto é, um elétron ocupar o lugar de uma lacuna, completando a ligação covalente. Este fato é conhecido como processo de recombinação.

Assim, tanto os elétrons como as lacunas surgem e desaparecem aos pares. Pode-se afirmar que o número de lacunas é sempre igual ao número de elétrons livres. Portanto, quando o cristal de silício ou de germânio é submetido a uma diferença de potencial, os elétrons livres movem-se em direção ao polo positivo da fonte, enquanto as lacumas movem-se em direção ao polo negativo.

Após entender o que foi explicado acima, vamos descrever como é possível se conseguir uma junção P-N.

Inicialmente, é importante citar que para se obter substratos tipo P ou tipo N, esses cristais devem ser submetidos a um processo de purificação da ordem de 99,999 999 %. Depois desse processo, é necessário adicionar impurezas ao cristal. Há dois tipos de impurezas possíveis de se adicionar ao cristal.

Basicamente, existem dois tipos de semicondutores que nos interessam: os do tipo "N" e os do tipo "P". Vamos ver as características de cada um deles.

Dessa forma, para construir um diodo, há necessidade de se juntar, de forma muito especial, uma certa quantidade de material tipo P com uma certa quantidade de material do tipo N. A esta associação denominamos de junção P-N. Se esta junção for submetida a um campo elétrico com orientação adequada, esta junção P-N permitirá a passagem da corrente elétrica. Caso a orientação do campo elétrico seja invertida, cessará completamente a passagem da corrente elétrica pela junção. E este comportamento caracteriza um DIODO.

Na Figura 61-04 mostramos o símbolo utilizado para representar um diodo.

Na Figura 61-05 podemos ver a curva característica que um diodo semicondutor apresenta quando submetido a uma polarização. A situação de polarização direta, ou seja, quando permite a passagem da corrente elétrica, está representada no primeiro quadrante do gráfico. Note que para uma corrente I_D genérica (em condução) temos uma diferença de potencial de 0,7 volts sobre o diodo. Na figura aparece o chamado joelho, que é o ponto onde o diodo começa a conduzir. Em condições normais esta tensão é da ordem de 0,5 volts. Abaixo dessa tensão podemos afirmar que não há corrente circulando pelo diodo.

Por outro lado, no terceiro quadrante, representa-se a situação de polarização reversa, onde o diodo não permite a passagem da corrente elétrica. Ao aumentarmos a tensão reversa, o diodo atinge a chamada tensão de ruptura, caracterizada por um aumento violento da corrente elétrica em sentido contrário, danificando o dispositivo.

Nas duas figuras mostradas acima, representamos os dois estados em que um diodo pode estar: em condução ou em corte.

Repare que na Figura 61-06, onde representamos o diodo em condução, isto é, com a polaridade positiva no ânodo do diodo, temos V_D = 0,7 volts. Nesta situação, temos I_D ≠ 0.

Por outro lado, na Figura 61-07 temos a situação em que o diodo está em corte. A polaridade negativa de V está no ânodo do diodo. Assim, temos I_D = 0.

Voltar ao Topo

Podemos dizer que um diodo, qualitativamente, apresenta uma alta resistência para polarização reversa e uma baixa resistência para polarização direta. Ou seja, pode comportar-se como uma chave (como aproximação do modelo). Logo, com polarização direta é uma chave ligada, enquanto com polarização reversa é uma chave desligada.

Quando diminuímos a barreira de potencial de um diodo, ele entra na chamada zona de condução. Nesta zona, comporta-se quase como um curto-circuito, permitindo a passagem de corrente elétrica. A equação abaixo, relaciona a corrente elétrica e a tensão sobre o diodo.

A definição das variáveis envolvidas na equação são:

A corrente inversa de saturação I_o, para diodos de pequenos sinais usados em circuitos de baixa potência, e que apresentam uma área da junção P - N   muito pequena, é da ordem de 10^-15A. Entretanto, ela é altamente dependente da temperatura, normalmente duplicando a cada aumento de 10° C.

Por outro lado, a tensão térmica, V_T, é dada pela equação abaixo:

Neste caso as variáveis envolvidas na equação são:

Para uma temperatura de 20°C, o valor da tensão térmica, após o cálculo, é de aproximadamente 25,2 mV. Adotaremos, neste site, como regra geral para resolvermos problemas, o valor de V_T = 25 mV em temperatura ambiente.

Na condição do diodo polarizado diretamente, a corrente I_D é muito superior à corrente I_o, e por isso podemos aproximar a eq. 61-01, equação da corrente no diodo, fazendo a seguinte simplificação:

Se para uma dada condição, temos   I₁ = I_o e ^{V₁/ η V_T} e para uma segunda condição, temos a relação   I₂ = I_o e ^{V₂/ η V_T}, então se dividirmos a segunda equação pela primeira, vamos obter a seguinte relação I₂ / I₁ = e ^{( V₂ - V₁)/ η V_T}. Agora, se nessa equação, aplicarmos a função logarítmo natural nos dois membros, eliminamos a função exponencial e ficamos com a logarítmo. Se por outro lado, substituirmos o logarítmo natural pelo logarítmo decimal, devemos multiplicar pelo fator 2,3. Assim, obtemos a relação conforme mostra a eq. 61-05.

Vamos supor que I₂ = 10 I₁. Ao aplicarmos a função logarítmo a esta relação, percebemos que a diferença entre V₂ e V₁ aumentou por um fator de   2,3 η V_T. Isto significa que a cada década, a tensão no diodo sobe de aproximadamente 60 mV se η = 1 e de 120 mV se η = 2. Como, normalmente, não se conhece o valor de η, costuma-se adotar nos projetos o valor de   2,3. η. V_T = 0,1 V / década.

Devemos ressaltar, que devido ao aumento brusco da corrente no momento que ultrapassa o joelho da curva característica, há uma grande variação de valores na corrente elétrica que passa pelo diodo, entretanto a queda de tensão sobre ele fica restrita a uma faixa estreita, entre 0,6 e 0,8 volts. Em geral, nos cálculos, adota-se o valor de V_D = 0,7 volts como padrão.

Voltar ao Topo

Pelo fato da tensão e da corrente elétrica no diodo, depender de V_T e I_o, e como estes são função da temperatura, é lógico que a curva I - V do diodo também dependerá da temperatura. Considerando uma dada corrente constante circulando pelo diodo, a tensão sobre ele diminui de aproximadamente - 2,2 mV/°C. Isto é, sua variação possui uma característica negativa. Quanto mais aumenta a temperatura, menor será a tensão sobre o diodo. Em projetos de amplificadores de potência esta característica deve ser levada muito a sério. Porém, esta é uma característica interessante na construção de sensores, como por exemplo, monitoração de temperatura. Facilmente podemos elaborar um projeto eletrônico que permite medir temperatura usando um diodo como coletor de informação.