FUNDAMENTOS
DE ELETRÔNICA ANALÓGICA II
JUNÇÃO PN
DIODO SEMICONDUTOR IDEAL X REAL
DIODO EM TENSÃO CONTÍNUA E ALTERNADA
EXEMPLOS DE CIRCUITOS COM DIODOS
JUNÇÃO PN
Como vimos anteriormente, em um cristal semicondutor são adicionadas impurezas do tipo trivalentes e impurezas do tipo pentavalentes para melhorar sua condutibilidade. A esta junção formada por um processo metalúrgico chamamos de junção PN.
Na junção PN existe uma diferença de concentração de portadores em suas duas extremidades,
logo haverá uma difusão de elétrons livres do lado N se deslocando para o lado P
e simultaneamente lacunas se difundirão do lado P para o lado N.
Essa característica fará com que apareçam íons positivos neutralizados do lado N do cristal e íons negativos neutralizados do lado P do cristal, dando origem a uma região chamada de região de depleção. Essa distribuição de cargas criará uma barreira o qual irá se opor à difusão de mais portadores majoritários, lacunas no lado P e elétrons livres no lado N.
Figura 18. Formação da região de depleção.
depleção
substantivo feminino
-
1. PATOLOGIA
perda de elementos fundamentais do organismo, esp. água, sangue e eletrólitos (sobretudo sódio e potássio).
-
2. OBSOLETA/O•OBSOLESCENTE
ato ou processo de extração de um fluido (p.ex., o sangue).
Região de Depleção
O diodo basicamente é formado por uma junção
P-N, onde existem portadores (negativos e positivos), íons fixos (de dopantes ou contaminantes), átomos constituintes do material ou do substrato utilizado. Durante a formação da junção P-N
há a formação também de uma barreira de potencial, e de uma região de depleção.
Pode ser visto por meio da Figura 18 que no sentido direto de polarização da junção circula uma corrente de difusão
(que na verdade é o transporte das lacunas na face P do cristal e dos elétrons na face N do cristal)
...e no sentido inverso circula uma corrente de saturação
(que é a corrente reversa produzida pelos portadores minoritários, dependente termicamente).
A barreira de potencial, em temperatura ambiente de 25°C,
é de aproximadamente 0,3 V para os diodos de germânio
e 0,7 V para os diodos de silício.
Barreira de potencial e temperatura
Uma junção PN é fortemente dependente da temperatura incidente sobre a mesma. Os valores de barreira de potencial de 0,7 e 0,3 volts para os diodos de silício e germânio são considerados para uma temperatura de junção de 25ºC.
Quando a temperatura da junção se eleva é gerado mais elétrons livres e lacunas,
consequentemente reduzindo a largura da camada de depleção diminuindo assim a barreira de potencial.
Usualmente, considera-se como regra prática por muitos projetistas que tanto para o diodo de silício quanto para o diodo de germânio,
para cada grau Celsius aumentado, a barreira de potencial diminui 2 mV.
Exemplo:
Qual será o valor da barreira de potencial de um diodo de silício quando a temperatura em sua junção atingir 85ºC?
Solução:
Como mencionado, podemos adotar como regra prática que para cada grau Celsius aumentado na temperatura,
diminui-se 2mV da barreira de potencial, logo:
(85º - 25º) * 2mV = 0,12 V ( = 60 * 2mV = 120mV = 0,12V )
O novo valor da barreira de potencial para 85ºC será:
VB = 0,7 – 0,12 = 0,58 V
A junção PN polarizada diretamente
A polarização direta de uma junção PN acontece quando
o terminal negativo de uma fonte de alimentação é conectado no material N do semicondutor correspondente
e o terminal positivo dessa fonte de alimentação é conectado na extremidade P do material semicondutor.
Imaginemos esta fonte de alimentação contínua, que está polarizando diretamente a junção PN da Figura 19, iniciando-se em zero.
No início, podemos considerar a corrente que circula por meio da junção desprezível, pois toda a tensão está aplicada sobre a junção PN.
Com o aumento dessa tensão, a região de depleção diminuirá reduzindo, assim, a barreira de potencial,
facilitando o deslocamento dos portadores majoritários de um lado da junção para o outro.
À medida que a corrente aumenta, a tensão se distribui entre o material e a barreira.
A partir desse ponto, a corrente passa a ser controlada pela resistência direta do material (a corrente no diodo passa a ter um comportamento aproximadamente linear com a tensão). O aumento efetivo dessa corrente apenas acontecerá quando a tensão aplicada entre os terminais do semicondutor exceder aproximadamente 0,6 a 0,7 volts. Esse valor de tensão é quando a barreira de potencial será vencida. Depois de vencida a tensão de ruptura da barreira de potencial, 0,7 volts para o diodo de silício, é necessário controlar sua corrente direta por meio de resistência externa. Essa medida evitará a queima prematura do diodo devido ao efeito Joule. A Figura 19 ilustra a polarização direta de um semicondutor considerando uma fonte de alimentação contínua VD.
Figura 19. Polarização direta da junção PN.
A junção PN polarizada reversamente
A polarização reversa de uma junção PN acontece quando
é conectado ao terminal positivo da fonte de alimentação à extremidade do semicondutor correspondente ao material tipo N
e ao terminal negativo da fonte de alimentação na extremidade P do material semicondutor.
Essa polarização faz com que os elétrons livres da extremidade N se afastem da junção em direção ao polo positivo da fonte
e a lacunas, da região P, se afastem da região de junção, consequentemente aumentando a largura da camada de depleção.
Quanto mais alta a tensão reversa aplicada sobre a junção PN, mais larga se tornará a camada de depleção,
porém chega-se a um ponto em que o diodo conduz, esse ponto e chamado de ponto de ruptura,
entretanto, ocorre a destruição do componente.
Alguns tipos específicos de diodos, como o diodo zenner, são feitos especificamente para trabalhar polarizados reversamente
sem que ocorra a ruptura da junção. Tal componente será melhor descrito mais adiante.
O gráfico característico de um diodo sob polarização reversa pode ser visto na figura 21.
Novamente considera-se o diodo na região de polarização reversa quando submetido a uma tensão reversa inferior a 0 volts.
Figura 21. Polarização reversa da junção PN.
Ruptura por efeito avalanche
Ao aumentar indiscriminadamente a tensão reversa sobre o diodo, chegará ao ponto no qual o diodo não suportará e atingirá a ruptura da junção. Esse fato ocorre na camada de depleção quando um elétron ganha velocidade podendo desalojar um elétron da camada de valência. Com esse fato, o par de elétrons aumentará sua velocidade proporcionalmente ao aumento da tensão reversa sobre a junção, desalojando mais elétrons da camada de valência. Dessa forma, chegará ao ponto que o diodo conduzirá abruptamente danificando o componente pelo efeito Joule.
Figura 22. Processo de desalojamento do elétron ocasionando efeito avalanche.
Efeito zener
Esse efeito acontece quando o campo elétrico na região de depleção é muito intenso. Essa alta intensidade é capaz de quebrar as ligações covalentes e gerar pares elétrons-lacunas. Esses pares de elétrons lacunas são transportados pelo campo elétrico e atravessam a junção PN. Iniciado esse processo, consegue-se gerar um grande número de portadores sem que isso provoque um aumento significativo da tensão da junção. Esse efeito produz rupturas com tensões abaixo de 4 volts.
Corrente de saturação reversa (IS)
Quando uma junção estiver polarizada reversamente existirá uma pequena corrente formada por portadores minoritários que dependem apenas da temperatura. Essa corrente é conhecida como corrente reversa de saturação IS.
Essa corrente, em termos aproximados, na prática, dobra seu valor a cada 10ºC de aumento na temperatura.
Exemplo:
Um diodo de silício tem uma corrente de saturação de 5 nA a 25°C. Estime o valor da corrente de saturação a 85 ºC.
Solução:
A corrente de saturação no diodo dobra para cada 10°C de aumento na temperatura. Portanto, teremos que:
Tabela 1. Evolução da corrente de saturação com a temperatura.
Logo, a corrente de saturação reversa em 85 ºC será de 320nA.
Corrente de fuga de superfície
Em uma junção PN impurezas adicionadas para transformação do cristal extrínseco,
podem criar caminhos com pequenas resistências ôhmicas do ponto de vista de correntes.
Essas correntes, denominadas correntes de fuga, são diretamente proporcionais à tensão reversa aplicada sobre a junção.
Características elétricas
Todo fabricante de componente eletrônico disponibiliza uma folha de dados na qual são informadas todas as condições de funcionamento daquele dispositivo. Essas folhas de dados devem ser observadas pelos projetistas eletrônicos para correta aplicação desses componentes, respeitando, assim, os parâmetros elétricos no qual o componente foi submetido.
Para os diodos têm-se inúmeros dados os quais impactam diretamente na correta escolha do modelo a ser empregado.
Podemos ver, na tabela 2, alguns parâmetros elétricos de grande importância que são fornecidos pelo fabricante.
Parâmetros elétricos disponibilizados pelos fabricantes.
DIODO SEMICONDUTOR IDEAL X REAL
Quando falamos em diodo podemos utilizar, para análise, o modelo do diodo ideal e o modelo do diodo real.
O diodo ideal é um componente meramente ilustrativo que só existe na teoria e que serve apenas para entender, com maior facilidade, o funcionamento de um diodo real.
Seu comportamento pode ser observado como o comportamento de uma chave. Podemos fazer um breve paralelo entre um diodo ideal e um diodo real considerando algumas características.
Quando falamos em diodo podemos utilizar, para análise, o modelo do diodo ideal e o modelo do diodo real.
O diodo ideal é um componente meramente ilustrativo que só existe na teoria e que serve apenas para entender, com maior facilidade, o funcionamento de um diodo real. Seu comportamento pode ser observado como o comportamento de uma chave. Podemos fazer um breve paralelo entre um diodo ideal e um diodo real considerando algumas características.
Diodo ideal
Quando polarizado diretamente conduz a partir de 0 V, logo VD = 0.
Quando polarizado, reversamente, possui tensão de ruptura infinita, comportamento de uma chave aberta.
Corrente direta infinita.
Não possui corrente de fuga.
Diodo real
Quando polarizado diretamente inicia-se a condução a partir de 0,6 ~ 0,7V, logo VD = 0,6 ~ 0,7V (para diodo de silício).
Quando polarizado, reversamente, possui tensão de ruptura limitada, esse dado é fornecido pelo fabricante (VBR).
Corrente direta máxima também definida pelo fabricando (IFMAX).
Corrente de fuga na ordem de nA.
Alguns livros tratam essa questão em três modelos diferentes, nos quais são chamados de aproximações.
Essas aproximações são utilizadas para demostrar a diferença entre o diodo real e o diodo ideal.
A primeira aproximação seria o próprio diodo ideal,
a segunda aproximação seria um diodo ideal mais próximo do real
e a terceira aproximação seria um diodo real.
Vamos analisar cada aproximação ao longo desta unidade.
Simbologia
A Figura 23 ilustra o símbolo esquemático representativo para um diodo retificador, no topo da figura.
A extremidade P é chamada de anodo e a extremidade N chamada de catodo.
Abaixo do símbolo esquemático são ilustrados alguns encapsulamento comuns para diodos que encontramos no mercado de eletrônica.
Figura 23. Simbologia e exemplo de diodos comercializados.
Extremidade N Extremidade P
Curva característica do diodo
Já vimos anteriormente na Figura 20, a curva característica de um diodo.
Quando polarizamos esse diodo diretamente, ou seja, VD > 0,
pode-se notar, no gráfico, que o fluxo de corrente pelo diodo aumenta exponencialmente assim que a tensão VD aproxima-se de 0,7 V,
tensão de limiar de condução para o diodo de silício. Esse limiar é comumente conhecido como tensão de joelho do diodo,
logo o componente está atuando em sua região de condução.
Analisando novamente a curva característica do diodo,
quando esse semicondutor é polarizado reversamente, ou seja, aumentando a tensão reversa gradativamente, pode-se notar que o fluxo de corrente de fuga tende a ser muito pequeno, constante e desprezível (zona de bloqueio).
Caso a tensão reversa continue a aumentar sem controle, chegará ao ponto em que acontecerá a ruptura do componente.
Dispositivo não linear
O motivo pelo qual o diodo não possui um comportamento linear de sua tensão em relação a sua corrente é pelo fato de o diodo possuir uma barreira de potencial a qual é produzida pela camada de depleção. Seu comportamento para VD <0,7 V produz correntes muito pequenas, porém quando VD se torna maior que 0,7 V sua corrente assume um comportamento exponencial sendo limitada apenas via resistor adicionado externamente ao componente.
Resistência de corpo
Vimos que em um diodo de silício, polarizado diretamente com uma tensão VD > 0,7 volts, sua corrente aumentará exponencialmente.
Ao ultrapassar o limite de condução imposto pela barreira de potencial, as únicas resistências à passagem dessa corrente serão as resistências das regiões P e N do semicondutor. O somatório dessas resistências é chamado de resistência de corpo do diodo (rB).
rB=rP+rNC
Segundo Malvino “A resistência de corpo depende do nível de dopagem e das dimensões das regiões Pe N.
Tipicamente, a resistência de corpo de um diodo retificador é menor que 1Ω”
Máxima corrente cc direta
A máxima corrente direta pelo diodo é um dado fornecido pelo fabricante do componente na qual específica qual o máximo valor possível que se pode submeter o componente para uma corrente direta sem que ocorra dados na estrutura do diodo.
Se a corrente que circulará pelo diodo for superior à máxima permitida, o componente poderá ser danificado pela exposição ao excesso de temperatura ou, caso não queime imediatamente, sua vida útil estará comprometida.
Esse dado é disponibilizado pelos fabricantes como IFMAX, IOMAX, etc. Para o diodo 1N4148,
A folha de dados do fabricante recomenda uma corrente direta média de 150 mA.
Resistor de limitação de corrente
Como visto, anteriormente, quando VD > 0,7 para os transistores de silício, a única resistência que a corrente direta pelo diodo encontrará será a resistência de corpo . Vimos também que essa resistência é muito pequena, da ordem de alguns miliohms.
Para controlar a corrente direta sobre o diodo, evitando, assim, danos ao componente, deve-se adicionar um resistor externo ao circuito.
O valor da corrente resultante do circuito pode ser calculado por:
Podemos observar na Figura 31 o efeito da corrente sobre a resistência das junções P e N.
Quanto maior a corrente pelo diodo maior será sua queda de tensão, consequentemente maior será a potência dissipada sobre o componente.
Na resolução de circuitos utilizando diodos, comumente utiliza-se a segunda aproximação,
que é a representação do diodo ideal com uma fonte de tensão contínua em série.
DIODO EM TENSÃO CONTÍNUA E ALTERNADA
Os diodos semicondutores são componentes eletrônicos que podem ser utilizados tanto para aplicações em tensões alternadas quanto para aplicações com tensões contínuas.
Diodos em tensão contínua
Quando aplicamos diodos em circuitos eletrônicos em regime contínuo, normalmente os utilizamos em proteções contra inversão de polaridade; em circuitos de proteção entrada de sinais elétricos; em circuitos lógicos nos quais emulam portas lógicas substituindo-as; em proteções para circuitos integrados etc. A seguir estaremos verificando alguns circuitos eletrônicos DC nos quais ocorrem a aplicação desse componente.
Proteção contra inversão de polaridade
Uma aplicação extremamente simples e utilizada em praticamente todos os circuitos eletrônicos que necessitam ser alimentados apenas com fonte de tensão contínua que são os protetores de inversão de polaridade.
O objetivo desse circuito é evitar que ligações equivocadas na alimentação, a inversão da polaridade da fonte DC, acarretem danos irreversíveis no circuito eletrônico de um equipamento.
Como vimos, anteriormente, o diodo real quando polarizado diretamente pode ser modelado como uma chave aberta ligada em série com uma fonte de tensão contínua de 0,7 volts mais a resistência de corpo do componente. Esse modelo é apresentado pela terceira aproximação. Para análise desse circuito, estaremos desprezando a resistência de corpo do componente utilizando assim para verificação a segunda aproximação. A Figura 32 ilustra uma aplicação de um diodo em um circuito com objetivo de evitar danos ao equipamento caso ocorra uma inversão de polaridade durante o processo de alimentação, quando ligada à fonte contínua.
Figura 32. Diodo aplicado para proteção de inversão de polaridade
Esse diodo retificador está atuando como uma proteção contra inversão de polaridade ao circuito eletrônico representado pela caixa preta. Imagine-se que o circuito eletrônico necessite de uma tensão de 15 volts e uma corrente de 0,2 ampères para operar em condições normais.
Essas são as características que o diodo retificador de proteção D1 deve atender. Na escolha do diodo a ser utilizado, deve-se considerar que este componente seja capaz de permitir, por exemplo, uma condução de uma corrente de 0,2 ampères sem ocasionar danos por excesso de fluxo elétrico.
Como o diodo de silício inicia sua condução quando VD > 0,6 ~ 0,7, a tensão de alimentação da fonte contínua que polariza todo o circuito deve estar ajustada para fornecer uma tensão de aproximadamente 15,7 volts compensando a queda do diodo de proteção.
ATENÇÃO
Nesse caso, o limite de corrente que passará pelo diodo de proteção de inversão é dado pelo somatório do consumo total do circuito eletrônico. Sempre deve-se considerar a queda de tensão sobre o mesmo polarizando a fonte de modo a compensar essa queda.
Circuito limitador para áudio
Nos circuitos limitadores, tem-se o objetivo de assegurar um limite máximo ao nível de entrada de tensão de uma determinada fonte geradora. Caso esse nível não seja limitado, o excesso de tensão pode ocasionar danos irreversíveis no componente e até mesmo levando à queima prematura de outros circuitos no qual estão interligados esses componentes.
No circuito exemplificado abaixo, por meio da Figura 33. Verificamos um circuito limitador básico a ser aplicado em circuitos de áudio.
Figura 33. Circuito limitador com diodos.
Nesse circuito limitador de tensões simples, comumente utilizados em circuitos para áudios, os diodos D1 e D2 estão ligados paralelamente e em oposição. Cada diodo conduzirá, quando polarizado diretamente e com uma tensão direta de aproximadamente 0,6 ~ 0,7 volts, logo o sinal de entrada estará limitada a este nível de tensão.
Circuitos limitadores como os apresentados pela Figura 33 podem ser utilizados também como limitadores de tensão proveniente de antenas de receptores, a fim de evitar sobre tensões quando o receptor se encontrar muito próximo à antena transmissora.
Os diodos considerados nesse circuito são de silício. Também devem possuir características de comutação rápida. Circuitos de silício retificadores não são adequados para esta aplicação, pois são fabricados para uso em baixas frequências, como 50 e 60 Hz, que são as frequências da rede elétrica.
Proteção em circuitos integrados
Com o advento do transistor, componente que estaremos estudando na próxima unidade, deu-se início a uma evolução na eletrônica digital e analógica. A partir de então começou a surgir o conceito de circuito integrado.
Atualmente, os circuitos integrados estão presentes na maioria dos equipamentos eletrônicos por meio de
-
memórias,
-
amplificadores operacionais,
-
reguladores de tensão,
-
microcontroladores
-
e mais uma infinidade de componentes.
Para os microcontroladores, componentes que possuem inúmeros pinos de entrada e saída, ou seja, pinos de comunicação com o meio externo, é aplicada uma proteção por meio de diodos. Essa proteção é necessária, pois níveis de tensão incompatíveis com os aceitáveis pelo componente podem ser inseridos em seus respectivos IOs levando assim a ruptura do componente.
Figura 34. Proteção de pinos de entrada e saída de sinais por meio de diodos.
No circuito representado pela Figura 34 podemos notar um par de diodos ligados entre o pino de entrada e aos pinos de alimentações do circuito integrado, VDD e GND.
Quando um nível de tensão no pino de entrada do microcontrolador, por exemplo, for superior à tensão VDD mais a queda de tensão VD, o diodo conectado à parte superior do circuito conduzirá evitando o aumento da tensão sobre o pino de entrada, dessa forma protegendo o componente. Caso a tensão seja menor que GND, o diodo inferior conduzirá repetindo a mesma proteção do diodo superior.
Nesse circuito, não tem um componente para limitar a corrente que fluirá pelos diodos quando estiverem conduzindo. Essa corrente poderá ser grande o suficiente para danificar o componente. Para controlar a intensidade dessa corrente é necessário inserir, externamente, um resistor limitador de corrente, assim quando a proteção agir o fluxo de corrente será limitado pelo resistor evitando assim danos às portas dos componentes.
Diodos em tensão alternada
Os diodos utilizados para converterem uma tensão alternada em tensão contínua são chamados de diodos retificadores. Suas principais aplicações são em circuitos retificadores empregados em fontes de alimentação. Esses circuitos retificadores têm a função basicamente de converterem a tensão alternada presente nas redes elétricas em tensões contínuas. A seguir estaremos verificando o papel fundamental dos diversos tipos de circuitos retificadores.
Retificador de meia onda
O circuito retificador de meia onda é composto unicamente por um diodo alimentado por uma fonte de tensão alternada. A Figura 35 ilustra o processo desse retificador.
Figura 35. Circuito retificador de meia onda.