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Curso de Eletrônica Analógica - Parte 1 - Materiais Semicondutores e Diodos (CUR2001)

1.1 – Estrutura e propriedades de materiais semicondutores

Muitos componentes como transistores, circuitos integrados e outros, em que se baseia a eletrônica moderna, são fabricados a partir de certos materiais que apresentam propriedades elétricas especiais. Estes materiais são denominados semicondutores.

Estudamos nas lições do Curso Básico (série ou volume anterior) que existem dois tipos de comportamentos dos materiais em relação à capacidade de conduzir a corrente elétrica. Existem os materiais através da qual a corrente pode fluir com facilidade, sendo denominados condutores, e os materiais em que a corrente não pode passar, denominados isolantes.

Dentre os condutores destacamos os metais, os gases ionizados, as soluções iônicas, etc. Dentre os isolantes destacamos o vidro, a borracha, a mica, plásticos, etc.

Há, entretanto, uma terceira categoria de materiais, um grupo intermediário de materiais que não são bons condutores, pois a corrente tem dificuldade em passar através deles, mas não são totalmente isolantes. Nestes materiais, os portadores de carga podem se mover, mas com certa dificuldade. Estes materiais são denominados “semicondutores”.

Dentre os materiais semicondutores mais importantes, que apresentam essas propriedades, destacamos os elementos químicos silício (Si), germânio (Ge) e o Selênio (Se). Numa escala de capacidades de conduzir a corrente, eles ficariam em posições intermediárias, conforme mostra a figura abaixo.

 

 

A escala de condutividade dos materiais
A escala de condutividade dos materiais

 

 

Durante certo tempo, muitos componentes eletrônicos eram feitos exclusivamente à base de germânio, caso dos primeiros transistores, mas depois o silício praticamente tomou conta da tecnologia eletrônica e, hoje alguns outros materiais começam a aparecer em aplicações importantes como o Gálio (Ga), índio (In), e diversas ligas que incluem a utilização destes materiais em conjunto.

Para entendermos o comportamento desses materiais, será interessante analisarmos o modo como os átomos estão dispostos nesses materiais. No germânio e no silício, os átomos possuem 4 elétrons em sua última camada de modo que, quando eles formam uma estrutura, esses átomos se dispõem da maneira que pode ser vista na figura abaixo.

 

A estrutura cristalina do silício e do germânio
A estrutura cristalina do silício e do germânio

 

 

Trata-se de uma estrutura cristalina em que a disposição se mantém em toda a extensão do corpo, dotando-os de propriedades especiais.

A tendência dos átomos numa estrutura como essa é a união de tal forma que na última camada tenhamos sempre 8 elétrons.

Assim, na forma de um cristal, como o que vimos, tanto o Germânio como o Silício podem compartilhar os elétrons das últimas camadas dos átomos vizinhos, de tal forma que sempre teremos 8 elétrons em torno de cada núcleo, conforme o leitor poderá ver clicando na figura abaixo.

 

Os átomos compartilham elétrons de modo que cada um fique com sua camada externa completa;
Os átomos compartilham elétrons de modo que cada um fique com sua camada externa completa;

 

 

Esse compartilhamento faz com que a estrutura obtida seja muito estável, e os elétrons tão firmemente presos nos pontos em que devem permanecer que sua mobilidade é reduzida através do material.

Como os elétrons são os portadores de carga, a dificuldade que encontram em se movimentar por entre os átomos dessa estrutura, dificulta a passagem de qualquer corrente elétrica. Isso faz com que a resistividade de materiais semicondutores puros, como o silício ou o germânio, seja muito alta.

Na sua forma pura nenhum material semicondutor, como o Silício e o Germânio, encontram aplicações práticas na eletrônica, mas a situação muda se adicionarmos certas “impurezas” a esses materiais.

Essas impurezas consistem em substâncias cujos átomos tenham em sua última camada um número de elétrons diferente de 4. E, para que o efeito desejado seja obtido, a adição dessas impurezas se faz numa quantidade extremamente pequena, da ordem de poucas partes por milhão ou p.p.m..

Temos então duas possibilidades de adição de impurezas aos materiais semicondutores:

 

Elementos cujos átomos possuam 5 elétrons na última camada (camada de valência). Estes elementos são denominados pentavalentes.

Elementos cujos átomos possuam 3 elétrons na última camada (camada de valência). Estes elementos são denominados trivalentes.

 

O primeiro caso pode ser visto na figura abaixo. Trata-se do elemento arsênio (As) que possui 5 elétrons na sua última camada. Vamos supor que formamos uma estrutura em que cada átomo de arsênio fique cercado por átomos de germânio (ou silício).

 

Obtendo um material tipo N
Obtendo um material tipo N

 

 

Como os átomos vizinhos só podem compartilhar 8 elétrons, na forma mostrada na figura, sobra um elétron no local em que existe um átomo com 5 elétrons. Este elétron que sobra tem mobilidade, podendo se deslocar através do material. O elétron pode saltar de átomo para átomo, movimentando-se através da estrutura.

Esta mobilidade permite que ele seja usado como um “portador” de cargas, ou seja, num agente que possibilita a circulação de correntes.

Assim, nos materiais dopados com estes átomos, a resistividade é menor e eles apresentam maior capacidade de conduzir a corrente. Como os portadores de carga são elétrons (negativos) dizemos que se trata de um material semicondutor do tipo N (negativo).

Na segunda possibilidade, acrescentamos uma impureza que tenha átomos dotados de 3 elétrons na última camada como, por exemplo, o índio (In), obtendo-se então uma estrutura conforme o leitor poderá constatar pela figura abaixo.

 

Estrutura de um material P, dopado com índio (In)
Estrutura de um material P, dopado com índio (In)

 

 

Obs.: desenhamos as estruturas desta figura e a anterior em um plano para maior facilidade de entendimento. Na verdade elas são tridimensionais.

 

Veja então que no local em que se encontra o átomo dopante (In) não existem 8 elétrons para ser compartilhados, mas apenas 7. Sobra então uma vaga ou “lacuna” que poderia ser preenchida por elétrons.

Esta lacuna tem uma propriedade importante. Ela pode receber elétrons que se movimentam através do material. Os elétrons, que estão se movimentando através do material, podem “saltar” para essas lacunas, deslocando-se através dele. Em outras palavras, a presença de lacuna facilita a movimentação de cargas através do material, também diminuindo sua resistividade.

Como os portadores de cargas, neste caso, são as lacunas, ou seja, a falta de elétrons, que poderia ser associada a uma carga positiva, pois ela predomina nesse local, dizemos que o material semicondutor assim obtido é do tipo P (positivo).

Podemos elaborar materiais semicondutores tanto do tipo P como do tipo N, usando elementos como o silício, germânio e diversos outros, com aplicações amplas na eletrônica. Basta dopar estes materiais como os elementos trivalentes ou pentavalentes que estudamos.

 

1.2 – Junções PN

Quando juntamos dois materiais semicondutores de tipos diferentes, P e N, forma-se entre eles uma junção que tem propriedades elétricas importantes. Na verdade, são as propriedades das junções semicondutoras que tornam possível a fabricação de todos os dispositivos semicondutores modernos, do diodo, passando pelo transistor ao circuito integrado.

A junção semicondutora é parte integrante de dispositivos como os SCRs, Triacs, LEDs, MOSFETs, e muitos outros.

Para entender como funciona a junção, vamos partir de dois pedaços de materiais semicondutores, um P e outro N, que são unidos, de modo a formar uma junção, conforme mostra a figura abaixo.

 

Obtendo uma junção PN
Obtendo uma junção PN

 

 

No local da junção, os elétrons que estão em excesso no material N se deslocam até o material P, procurando então lacunas, onde se fixam.

O resultado é que temos elétrons neutralizando lacunas, ou seja, nesta região não temos mais material nem N e nem P, mas sim material neutro. No entanto, ao mesmo tempo em que ocorre a neutralização, uma pequena tensão elétrica passa a se manifestar entre as duas regiões de material semicondutor.

Essa tensão, que aparece na junção, consiste numa verdadeira barreira que precisa ser vencida para que possamos fazer circular qualquer corrente entre os dois materiais. Conforme o fenômeno sugere, o nome dado é “barreira de potencial”, conforme mostra a figura abaixo.

 

A barreira de potencial
A barreira de potencial

 

 

Esta barreira possui um valor que depende da natureza do material semicondutor usado, sendo da ordem de 0,2 V para o germânio e 0,6 V para o silício.

A estrutura indicada, com dois materiais semicondutores, P e N, forma um componente que apresenta propriedades elétricas importantes e que denominamos “diodo semicondutor”, ou simplesmente “diodo”. É

 

1.3 – O diodo semicondutor

Para fazer uma corrente elétrica circular através de uma estrutura, como a estudada no item anterior, com dois materiais P e N formando uma junção, existem duas possibilidades, ou dois sentidos possíveis: a corrente pode fluir do material P para o N, ou vice-versa.

Na prática, veremos que diferentemente dos corpos comuns que conduzem a eletricidade, a corrente não se comporta da mesma maneira nos dois sentidos.

Vamos então supor inicialmente que uma bateria seja ligada a estrutura formada pelos dois pedaços de material semicondutor que formam a junção, ou seja, à estrutura PN.

O material P é ligado ao polo positivo da bateria, enquanto que o material N é ligado ao polo negativo. Ocorre então uma repulsão entre cargas que faz com que os portadores de carga do material P, ou seja, as lacunas se movimentem em direção à junção, enquanto que os portadores de carga do material N, que são os elétrons livres, se afastam do polo da bateria sendo empurrados em direção à junção.

Os portadores de carga positivos (lacunas) e os negativos (elétrons) se encontram na região da junção onde, por terem polaridades diferentes se recombinam e são neutralizados. A recombinação dessas cargas, “empurradas” pela bateria, abre caminha para que novas cargas sejam empurradas para essa região, formando assim um fluxo constante.

Esse fluxo, nada mais é do que uma corrente elétrica que pode fluir livremente através do componente, sem encontrar muita resistência ou oposição. Dizemos, nessas condições, que o componente, esta polarizado no sentido direto, conforme mostra a figura abaixo.

 

Junção polarizada no sentido direto
Junção polarizada no sentido direto

 

 

Esse componente, denominado “diodo” , conforme já vimos, deixa então a corrente passar sem oposição quando polarizado no sentido direto.

Por outro lado, se invertermos a polaridade da bateria em relação aos pedaços de material semicondutor dessa estrutura, o fenômeno que se manifesta é diferente. Os portadores do material N são atraídos para o polo positivo do gerador se afastando da região da junção. A polarização inversa pode ser visualizada na figura abaixo.

 

Junção polarizada no sentido inverso
Junção polarizada no sentido inverso

 

 

Da mesma forma, os portadores do material P também se afastam da junção, o que significa que temos um “alargamento da junção”, com um aumento da barreira de potencial que impede a circulação de qualquer corrente elétrica. A estrutura polarizada desta forma, ou seja, polarizada no sentido inverso, não deixa a corrente passar.

Na prática, uma pequena corrente da ordem de milionésimos de ampère pode circular mesmo quando o diodo está polarizado no sentido inverso. Esta corrente “de fuga” se deve ao fato de que o calor ambiente agita os átomos do material de tal forma que, um ou outro portador de carga pode ser liberado, transportando corrente dessa forma.

 

Veja então que uma simples estrutura PN de Silício ou de Germânio já resulta num importante componente eletrônico que é o diodo. Na figura abaixo o leitor terá a estrutura e o símbolo usado para representar o componente que lembra uma “seta”, indicando o sentido da corrente.

 

Símbolo, estrutura e aspectos dos principais tipos de diodos
Símbolo, estrutura e aspectos dos principais tipos de diodos

 

 

Na mesma figura temos os aspectos desses componentes, cujo tamanho depende da intensidade da corrente que podem controlar ou conduzir e também da tensão máxima que pode se manifestar entre seus terminais. Veja que existe uma faixa ou anel em alguns tipos de diodos, indicando o lado do catodo, ou seja, o lado do material N.

 

Diodos SMD

Da mesma forma que muitos outros componentes eletrônicos, existem versões dos diodos em invólucros extremamente pequenos, denominados SMD (para montagem em superfície). Na figura A temos exemplos.

 

Diodos SMD
Diodos SMD

 

O diodo semicondutor pode então ser polarizado de duas formas, conforme o leitor verá na figura abaixo.

 

Polarização direta e polarização inversa de um diodo.
Polarização direta e polarização inversa de um diodo.

 

 

Se o diodo for polarizado como mostra a figura em (a), com o pólo positivo da bateria ou outra fonte de energia elétrica em seu anodo, a corrente pode fluir com facilidade, pois o diodo apresenta uma resistência muito baixa. Dizemos que o diodo está polarizado no sentido direto.

Se a polarização for feita conforme mostra a mesma figura em (b), então nenhuma corrente pode circular. Dizemos que o diodo está polarizado no sentido inverso.

Por estas propriedades, um diodo semicondutor pode ser usado em muitas aplicações eletrônicas importantes, muitas das quais teremos a oportunidade de ver nesse curso.

Observe ainda que, devido ao fato de que precisamos vencer a barreira de potencial de 0,2 V para os diodos de germânio, e 0,6 V para os diodos de silício, quando ocorre a condução, aparece sobre o componente sempre essa tensão, independentemente da intensidade da corrente que está circulando através dele, conforme é possível ver pela figura abaixo.

 

 Queda de tensão num diodo
Queda de tensão num diodo

 

 

Na verdade, como a resistência do diodo é muito baixa, na sua condição de plena condução de corrente, se não existir um componente que limite essa corrente no circuito, o diodo corre o risco de se “queimar”, pois existe um valor máximo para a intensidade da corrente que ele pode conduzir.

Da mesma forma, também existe um limite para a tensão máxima que podemos aplicar num diodo ao polarizá-lo no sentido inverso.

Chega um ponto em que, mesmo polarizado inversamente, a barreira de potência não mais pode conter o fluxo de cargas “rompendo-se” com a queima do componente.

Os diodos comuns são então especificados em função da corrente máxima que pode conduzir no sentido direto, abreviada por If (O f vem de forward que em inglês quer dizer direto), e pela tensão máxima que podem suportar no sentido inverso, abreviada por Vr (O r vem de reverse que, em inglês, quer dizer inverso).

Conforme veremos mais adiante, existem alguns tipos de diodos especiais que podem funcionar polarizados no sentido inverso e que apresentam características muito interessantes para a eletrônica.

 

1.4 – Tipos de diodos

Conforme estudamos, o material semicondutor usado na formação de junções tanto pode ser o germânio como o silício. Assim, temos diodos tanto de germânio como de silício. E, nestes grupos, os tipos podem ainda ter finalidades diferentes sendo, por esse motivo, construídos de forma diferente. Analisamos alguns tipos de diodos.

 

1.4.1 - Diodos de Germânio

Na figura abaixo temos a estrutura interna de um diodo de germânio, não muito usado atualmente, mas ainda encontrado em alguns equipamentos e em aplicações especiais.

 

Um diodo de germânio
Um diodo de germânio

 

 

Este tipo de diodo é usado em circuitos que operem com correntes muito fracas, mas tem a vantagem de poder operar com variações de correntes muito rápidas, ou seja, com sinais de altas freqüências. Assim, ele é usado principalmente na detecção de sinais de rádio. Tipos bastante conhecidos são os 1N34, 1N60, OA79, etc.

 

1.4.2 - Código Pro-electron

Esse código é usado na identificação de semicondutores sendo adotado principalmente na Europa. O código é formado por duas ou três letras, seguidos por um número de série (sufixo) com o seguinte significado:

A primeira letra indica o material, conforme a seguinte tabela:

 

A = Ge

B = Si

C = GaAs

R = materiais compostos

 

A segunda letra indica a aplicação do dispositivo conforme a seguinte tabela:

A: Diodo RF

B: Varicap

C: Transistor, AF, pequenos sinais

D: Transistor, AF, potência

E: Diodo Tunnel

F: transistor, HF, pequeno sinal

K: Dispositivo de efeito Hall

L: Transistor, HF, potência

N: Acoplador óptico

P: Dispositivo sensível à radiação

Q: Dispositivo que produz radiação

R: Tiristor, Baixa potência

T: Tiristor, Potência

U: Transistor, potência, comutação

Y: Retificador

Z: Zener, ou diodo regulador de tensão

 

A terceira letra indica que o dispositivo é indicado para aplicações industriais ou profissionais, assim como comerciais. O sufixo é usualmente W,X,Y ou Z. O número de série vai de 100 a 9999. Um sufixo adicional normalmente determina a faixa de ganho, como nas normas JEDEC.

 

Exemplos

BC548A – Transistor de silício de baixa potência

BAW68 – diodo para aplicações profissionais em RF

BD135 – transistor de silício de potência

BF494 – transistor de silício de baixa potência para RF

 

No exemplo do BC548A, o A indica uma característica adicional dentro do mesmo grupo. Por exemplo, o ganho. Veremos o que isso significa nas próximas lições.

 

1.4.3 - Diodos de Silício de Uso Geral

Estes são diodos de silício fabricados para o trabalho com correntes de pequenas e médias intensidade, da ordem de no máximo 200 mA, e tensões que não vão muito além dos 100 V. São usados em circuitos de proteção , circuitos lógicos, polarização, queda de tensão, referência, etc. Na figura abaixo mostramos o diodo 1N4148 é um dos mais comuns desta série.

 

Um diodo 1N4148
Um diodo 1N4148

 

 

1.4.4 - Diodos Retificadores de Silício

São diodos destinados à condução de correntes intensas, também suportando tensões elevadas que podem superar os 1 000 V.

Uma série muito usada de diodos retificadores é a 1N400X onde o X pode ir de 1 a 7. São diodos de 1 A , muito usados na retificação de correntes alternadas em fontes de alimentação. As características desses diodos são:

 

1N4001 – 50 V

1N4002 – 100 V

1N4003 – 200 V

1N4004 – 400 V

1N4005 – 600 V

1N4006 – 800 V

1N4007 – 1000 V

 

É muito comum usarmos o 1N4002 em fontes até 20 V, o 1N4004 em circuitos ligados na rede de 110/127 V, e o 1N4006 ou 1N4007 nas redes de 220 V.

Uma boa margem de segurança é dada ao usarmos esse diodo. Além deles, existem outros que exercem funções importantes nos circuitos eletrônicos e que serão analisados oportunamente.

Veja que as tensões indicadas na tabela são as tensões de pico, e não rms. Assim, na rede de 110 V, por exemplo, conforme estudamos no Curso Básico, o pico pode superar os 150 V, daí usarmos o 1N4003, preferivelmente o 1N4004, e nunca o 1N4002..

 

1.5 – O diodo zener

Conforme estudamos, existe um limite para a tensão que pode ser aplicada no sentido inverso num diodo comum. Quando a tensão supera esse valor, que varia de tipo para tipo de diodo, a junção “rompe-se”, tornando-se condutora e, com isso, conduzindo uma corrente de forma intensa. A corrente passa a fluir sem encontrar maiores obstáculos.

Para os diodos comuns, este rompimento no sentido inverso significa a queima do componente. A forte corrente acaba por causar a perda das propriedades dos materiais semicondutores que formam sua estrutura.

No entanto, existem diodos que são projetados para suportar a corrente no sentido inverso até certo limite, mesmo quando a tensão inversa é superada. Esses componentes são de grande importância para a eletrônica moderna.

Na figura abaixo temos uma curva que mostra a característica de um diodo comum, e que também pode servir para que possamos introduzir um novo tipo de componente: o diodo zener.

 

Curva característica de um diodo comum
Curva característica de um diodo comum

 

 

Veja então que, quando ocorre uma ruptura no sentido inverso, por mais que a corrente aumente, a tensão no diodo se mantém fixa, no valor Vp, que a partir de agora será chamado de Vz ou tensão zener.

Isto significa que se tivermos um diodo que possa trabalhar nesse ponto da curva característica, sem queimar, ele conseguirá manter fixa a tensão num circuito independentemente da corrente, ou seja, ele poderá funcionar como um regulador de tensão. Na figura abaixo temos o símbolo adotado para representar esse tipo de componente, que é denominado “diodo zener”, assim como os aspectos dos tipos mais comuns.

 

Símbolo do diodo zener e aspectos
Símbolo do diodo zener e aspectos

 

 

Os diodos zener podem cumprir uma função muito importante nos circuitos, regulando a tensão de fontes de alimentação, além de estarem presentes em muitas aplicações em que se necessita de uma tensão fixa. Diodos zener com tensões entre 2 e 200 volts podem ser encontrados nos aparelhos eletrônicos comuns.

Na figura abaixo temos o modo típico de se usar um diodo zener.

 

Circuito simples de aplicação de um diodo zener
Circuito simples de aplicação de um diodo zener

 

 

Veja que, em primeiro lugar, ele trabalha polarizado no sentido inverso, ou seja, seu catodo vai ao ponto positivo do circuito. O circuito, que deve ter a tensão estabilizada, é ligado em paralelo com o diodo zener.

O resistor R neste circuito tem a importante função de limitar a corrente no diodo zener, pois se ela superar um valor determinado pela sua capacidade de dissipação, ele pode queimar-se, O valor máximo da corrente depende da potência do zener, podendo ser calculado facilmente em cada aplicação.

 

1.6 – O LED (Diodo Emissor de Luz)

A observação de que, quando um diodo a corrente no sentido direto, há emissão de radiação infravermelha (luz invisível), é bem antiga. No entanto, num diodo comum a intensidade da emissão é muito pequena.

Esse efeito pode ser conseguido com maior intensidade e alterado para que a emissão ocorra em outras faixas do espectro, obtendo-se assim componentes emissores de radiação infravermelha, luz visível e até mesmo, ultravioleta.

Temos então componentes cuja estrutura básica é a mesma de um diodo comum, mas que são feitos de materiais como o Arseneto de Gálio (GaAs) e outras variações como o Arseneto de Gálio com Indio (GaAsIn) , sendo denominados “light emitting diodes” ou “diodos emissores de luz” cuja, abreviação do termo inglês resulta em LED.

Assim, diferentemente da luz branca que é formada pela mistura de todas as cores, a luz emitida por um LED tem cor única. Trata-se de uma fonte de luz monocromática, conforme mostram os espectros de emissão que o leitor poderá ver na figura abaixo.

 

As curvas estreitas de emissão dos LEDs
As curvas estreitas de emissão dos LEDs

 

 

Os primeiro LEDs colocados no comércio operavam na faixa do infravermelho, emitindo uma luz que não podemos ver. Atualmente, temos LEDs que emitem luz no espectro visível, já se aproximando da extremidade do espectro junto ao ultravioleta. Os LEDs de cores vermelha, laranja, amarelo, verde, azul e até mesmo violeta já são comuns..

Na figura abaixo poderemos observar o aspecto e o símbolo usado para representar um LED comum.

 

LEDs – aspectos e símbolo
LEDs – aspectos e símbolo

 

 

Muitos fabricantes montam diversos LEDs em invólucros únicos, formando barras, painéis ou mesmo figuras. São os displays de LED. Na figura abaixo temos exemplos destes displays.

 

Display de LEDs
Display de LEDs

 

 

Como a combinação dessas cores pode resultar na luz branca, existem LEDs que combinam três pastilhas diferentes internamente, nas cores básicas e quando acesos, produzem luz branca de grande intensidade. Na figura abaixo temos um LED branco de alto brilho;

 

LED branco de alto brilho
LED branco de alto brilho

 

 

Existe uma tendência atualmente em curso de se obter LEDs com altíssimo rendimento, capazes de substituir as lâmpadas comuns em muitas aplicações que envolvem iluminação, e não apenas sinalização ou indicação como até então ocorria com os LEDs comuns. Estes LEDs são denominados “de alto brilho” e começam a substituir as lâmpadas comuns em muitas aplicações.

Na figura abaixo temos uma lâmpada-LED que substitui com vantagem uma lâmpada incandescente comum, pelo seu rendimento e durabilidade.

 

 

Uma Lâmpada de LEDs
Uma Lâmpada de LEDs

 

 

1.6.1 – TV de LEDs

Os pontos de imagem de uma TV analógica tradicional pelo impacto de elétrons em materiais fosforescentes nas cores básicas RGB (veja em outros componentes o TRC). Podemos obter uma imagem de TV de forma equivalente utilizando para os pontos de imagem LEDs nestas cores. É claro que precisaremos de milhões deles, um para cada ponto de imagem de cada cor, mas a tecnologia atual consegue fabricar estes displays, conforme mostra a figura abaixo. São milhões de LEDs montados num painel formando grupos de 3 (RGB), um para cada ponto d imagem, conforme mostra a mesma figura.

 

 

 

Um televisor/monitor de LEDs
Um televisor/monitor de LEDs

 

 

A vantagem do uso dos LEDs neste tipo de display é que eles apresentam um rendimento muito alto, que leva o televisor ou monitor a um baixo consumo, e seus painéis são planos, ocupando muito menos espaço.

A excitação dos LEDs para produzir a imagem, entretanto, deve ser feita na forma digital, através de circuitos totalmente diferentes dos televisores e monitores que usam cinescópios.

 

1.6.2 – Usando LEDs

Para saber usar um LED é preciso conhecer suas características elétricas, e isso pode ser facilmente conseguido a partir de sua curva característica que pode ser observada na figura abaixo.

 

 

A curva característica de um LED é a mesma de um diodo
A curva característica de um LED é a mesma de um diodo

 

 

Por esta curva temos diversas informações importantes. A primeira delas nos mostra que o ponto Vf, ou seja, o instante em que o LED começa a conduzir a corrente corresponde a uma tensão maior do que a obtida em diodos comuns de silício ou de germânio. Essa tensão depende do tipo de LED considerado.

Assim, para um LED vermelho e infravermelho essa tensão é de aproximadamente 1,6 V, subindo para 2,1 V num LED amarelo e chegando a mais de 2,7 V para LEDs verdes, azuis e brancos.

Isso significa que precisamos de uma tensão com pelo menos esse valor, para que o LED “acenda”, pois ele precisa conduzir no sentido direto para isso.

Por outro lado, vemos que a tensão inversa de ruptura (Vr) está em torno de 5 V. Isso significa que os LEDs nunca podem ser polarizados no sentido inverso com mais de 5 V, pois isso pode causar sua queima.

Outro fato importante que obtemos da curva característica do LED é que, a partir da condução no sentido direto, a corrente aumenta quase que numa vertical, o que quer dizer que, começando a conduzir, a resistência do LED cai a um valor muito baixo. Isso significa que, se não houver algum meio para limitar a corrente nesse componente, ela aumenta rapidamente podendo superar o máximo que ele suporta, causando sua queima.

Para LEDs comuns essa corrente é da ordem de 50 mA ou pouco mais (depende do tamanho do LED), mas existem tipos de alta intensidade em que ela é bem maior. De qualquer forma, o leitor deve lembrar que o LED é um componente frágil, principalmente os de menor potência.

 

1.7 – Os foto-diodos

Conforme já estudamos, uma pequena corrente pode fluir por um diodo quando polarizado no sentido inverso devido à liberação de portadores de carga pela temperatura. A elevação da temperatura faz com que haja uma “agitação” dos átomos e isso pode fazer com que portadores sejam liberados.

No entanto, existe outro tipo de influência externa que pode causar a liberação de portadores de carga, e que permite a utilização dos diodos de outra maneira, diferente das que vimos até agora.

Se a luz puder alcançar a junção de um diodo polarizado no sentido inverso, conforme sugere a figura abaixo, portadores de carga podem ser liberados.

 

A luz pode liberar portadores de carga
A luz pode liberar portadores de carga

 

 

O resultado disso, é que a corrente circulante não mais dependerá somente da temperatura, mas também da quantidade de luz ou intensidade da luz que incide nessa junção.

Com isso, podemos elaborar componentes denominados “foto-diodos”, que o leitor poderá ver na figura abaixo, em que propositalmente se expõe através de uma janela ou invólucro transparente, a junção à luz exterior, de modo a se obter uma corrente proporcional à sua intensidade.

 

Foto-diodos – símbolo e aspectos
Foto-diodos – símbolo e aspectos

 

 

Os foto-diodos comuns se caracterizam, tanto pela sua sensibilidade, como pela velocidade com que podem responder à qualquer variação da intensidade da luz. Isso faz com que eles possam ser usados na leitura de códigos de barras, cartões perfurados, em alarmes, ou ainda para a recepção da luz modulada como ocorre num sistema de controle remoto.

Na figura abaixo temos característica de sensibilidade de um foto-diodo, onde vemos que esses componente podem “ver” formas de radiação que nossos olhos não percebem, ou seja, abaixo do vermelho e acima do violeta.

 

Característica do foto-diodo e do olho humano
Característica do foto-diodo e do olho humano

 

 

1.7.1 - Uso dos Foto-Diodos

Além de alarmes, controles remotos e outras aplicações que citamos, os foto-diodos podem exercer muitas outras sendo, por isso, encontrados numa grande quantidade de aplicações práticas. Além das indicadas, temos os indicadores de posições ou encoders de máquinas industriais, detectores de radiação e muito mais.

 

1.8 – Outros tipos de diodo: Schottky, tunnel, varicap, etc.

Além dos diodos que estudamos existem alguns outros tipos que são muito importantes nas aplicações práticas, Dentre eles destacamos:

 

Varicap

Quando polarizamos um diodo comum no sentido inverso, conforme mostra a figura abaixo, os portadores de carga se afastam da junção, diminuindo a intensidade do fenômeno da recombinação pela condução, responsável pela condução do componente: não há corrente entre o anodo e o catodo e a região da junção aumenta de espessura.

 

Polarizando um diodo no sentido inverso
Polarizando um diodo no sentido inverso

 

 

Os portadores de carga acumulados no material e separados por uma região isolante, formam uma estrutura muito semelhante a de um capacitor comum: o local onde ficam as cargas acumuladas corresponde às armaduras do capacitor e a região em que não temos a condução, em torno da junção corresponde ao dielétrico. Num capacitor comum, a capacitância obtida depende de 3 fatores:

 

a) tamanho das armaduras, ou seja, sua superfície efetiva.

b) distância de separação entre as armaduras

c) material de que é feito o dielétrico (constante dielétrica).

 

Num diodo polarizado no sentido inverso, a capacitância apresentada dependerá então do tamanho do material semicondutor usado (armaduras), da separação entre as regiões em que as cargas se acumulam e da constante dielétrica do material semicondutor usado (silício), conforme mostra a figura abaixo.

 

 

A capacitância de um capacitor
A capacitância de um capacitor

 

 

Nos capacitores comuns, todos esses fatores são fixos e num capacitor variável podemos alterar a distância de separação entre as armaduras, ou ainda sua superfície efetiva.

Num diodo, entretanto, existe um fator que pode ser alterado a partir de uma ação exterior que é a distância entre as armaduras.

Como, na realidade, as armaduras deste capacitor "fictício" que existem no diodo são formadas por portadores de carga capazes de se mover no interior do material, podemos afastá-las ou aproximá-las pela ação de um campo elétrico, ou seja, pela aplicação de uma tensão externa.

Se o diodo estiver desligado (tensão nula entre o anodo e o catodo), os portadores de cargas das armaduras atraem-se e só se não se recombinam totalmente, porque existe uma barreira de potencial na junção.

Sua distância é então mínima e a capacitância apresentada pelo componente é máxima, conforme indicado na figura abaixo.

 

A capacitância de uma junção PN
A capacitância de uma junção PN

 

 

Aplicando uma tensão no sentido inverso, à medida que seu valor aumenta, ocorre uma separação gradual das "armaduras", ou portadores de carga, o que faz com que a capacitância do dispositivo também diminua de valor.

A máxima tensão que o diodo admite no sentido inverso determina a menor capacitância que podemos conseguir do diodo, conforme mostra o gráfico típico de um diodo na figura abaixo.

 

Variação da capacitância com a tensão
Variação da capacitância com a tensão

 

 

Os diodos comuns não são apropriados para a utilização num circuito ressonante, porque sua faixa de variação de capacitâncias não é muito grande e, além disso, podem ocorrer problemas de resposta na operação em frequências muito altas.

No entanto, utilizando técnicas especiais, podem ser construídos diodos cujas características que importam neste caso, ou seja, a capacitância entre as regiões semicondutoras e a resposta à frequências elevadas, sejam ressaltadas, o que dá origem a uma família importante de componentes: os varicaps ou diodos de capacitância variável. Na figura abaixo temos os símbolos adotados para representar os varicaps.

 

 

Símbolos do varicap
Símbolos do varicap

 

 

Schottky

Os diodos Schottky são componentes relativamente novos, pois são usados há apenas 25 anos, aproximadamente. No entanto, suas características especiais os tornam ideais para certas aplicações em que os diodos comuns de silício não se dão bem como, por exemplo, nos circuitos de comutação rápida ou ainda nos circuitos em que uma queda de tensão no sentido direto deva ser minimizada.

Estes diodos especiais têm uma queda de potencial no sentido direto muito baixa e, por isso, comutam mais rapidamente, passando do estado de não condução para condução e vice-versa de forma muito rápida. Esses são os diodos Schottky

O que diferencia as características de condução dos diodos comuns em relação aos diodos Schottky é a tecnologia de fabricação e o material usado.

Desse modo, para obter uma barreira de condução baixa existem diversas tecnologias que são empregadas, determinando outras características do componente.

Na figura abaixo temos as curvas características obtidas para este componente, observando-se a tensão muito baixa em que ele começa a conduzir quando polarizado no sentido direto.

 

Curva característica de um diodo Schottky
Curva característica de um diodo Schottky

 

 

Tunnel

O diodo tunnel, possui características de resistência negativa que permitem sua utilização em circuitos semelhantes aos osciladores de relaxação com transistores unijunção, ou lâmpadas neon (que veremos mais adiante neste curso). No entanto, os diodos tunnel têm algo mais: podem oscilar em frequências superiores a 1 Gigahertz o que os torna especialmente indicados para circuitos de altíssima frequência.

Se bem que os diodos tunnel não sejam componentes comuns, a possibilidade de se utilizar estes componentes em projetos pode ser interessante, quando a exigência principal for simplicidade em circuitos de frequências muito altas.

Na figura abaixo temos o símbolo comumente adotado para representar o diodo tunnel.

 

Símbolo do diodo tunnel
Símbolo do diodo tunnel

 

 

Suas propriedades de resistência negativa vem da utilização de uma camada de deplexão ultra fina na junção, que dota o componente de características de resistência negativa.

O nome do componente vem do fato de que, diferentemente dos demais semicondutores em que a resistência da barreira de potência depende, até certo valor, da tensão aplicada, existe um ponto em que esses portadores encontram como que um túnel por onde podem passar com facilidade, resultando assim numa curva característica que é mostrada na figura abaixo.

 

 

Curva característica do diodo tunnel
Curva característica do diodo tunnel

 

 

Assim, quando aplicamos uma tensão no sentido direto o componente se comporta como um diodo comum, até o instante em que ela atinge o ponto A. Este ponto ocorre com algumas dezenas de milivolts para os diodos tunnel comuns e é denominado "ponto de pico".

No entanto, a partir deste ponto quando a tensão aumenta, em lugar da corrente também aumentar ela diminui abruptamente até o denominado ponto de vale mostrado em B.

Neste trecho temos então um comportamento "anormal" para o componente que passa a apresentar uma resistência negativa.

Lembramos que a resistência no gráfico em questão é a cotangente do ângulo que a curva característica apresenta no ponto visado e neste caso temos valores negativos para o trecho entre A e B.

A partir do ponto B, o aumento da tensão novamente causa o aumento da corrente, quando então o componente passa a apresentar um comportamento semelhante aos demais componentes eletrônicos.

O importante da característica de resistência negativa que este componente apresenta e que é semelhante a dos transistores unijunção, e da própria lâmpada neon, é que o diodo tunnel pode ser usado em osciladores de relaxação e até mesmo amplificar sinais.

Como a ação do diodo tunnel é extremamente rápida, o que não ocorre com as lâmpadas neon e transistores unijunção, cuja velocidade de operação limita sua aplicação a circuitos de no máximo algumas dezenas de quilohertz, os diodos tunnel podem ser usados em circuitos de altíssima frequência, superando facilmente os 1 000 MHz ou 1 GHz.

 


 

 

Índice

Introdução

Parte 1  (você está aqui)

Parte 2

Parte 3

Parte 4

Parte 5

Parte 6

Parte 7

Parte 8

Parte 9

Parte 10

Parte 11

Parte 12

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N° do componente 

(Como usar este quadro de busca)

 

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