Física
Semicondutores e Diodos
Prof. Torres
São chamados de semicondutores os materiais que têm condutividade elétrica baixa para serem considerados bons condutores elétricos (como os metais) e alta para serem considerados isolantes elétricos (como o vidro, a borracha e a madeira).
Dispositivos eletrônicos que operam com materiais semicondutores estão presentes nos mais diversos aparelhos eletroeletrônicos tais como rádios, televisores, telefones, computadores e até nos sistemas elétricos automotivos. Os diodos semicondutores, os LEDs, os transistores, as fotocélulas e os circuitos integrados são componentes eletrônicos fabricados com materiais semicondutores. Os painéis fotovoltaicos de aquecimento solar são constituídos por milhares de elementos semicondutores que convertem diretamente a luz solar em energia elétrica.
Os materiais semicondutores mais utilizados são o silício e o germânio. Outros também são utilizados, mas em menor escala.
Se aplicarmos uma tensão elétrica de algumas dezenas de volts numa pastilha de silício ou de germânio, teremos correntes elétricas da ordem de alguns nanoampères (nA).
Correntes elétricas com intensidades dessa ordem são, como se diz em eletrônica, insensíveis aos circuitos digitais. Portanto, os semicondutores puros (ou intrínsecos) não são eficazes nos sistemas eletrônicos digitais. Para se contornar essa dificuldade usa-se o processo eletrônico denominado dopagem do semicondutor (doping), que consiste em inserir um átomo "estranho" na rede cristalina do semicondutor, criando-se assim portadores de corrente na rede que aumentam a condutividade do material.
Dopando-se o germânio com antimônio, numa proporção de 1 átomo de antimônio para cada 1 milhão de átomos de germânio, a condutividade desse semicondutor dopado aumenta mais de 1.200 vezes em relação ao germânio puro.
O germânio também pode ser dopado com arsênio (As) ou índio (In). O processo de dopagem pode "criar" na rede cristalina do semicondutor portadores de correntes de 2 tipos: elétrons não ligados, que são os portadores negativos; lacunas onde faltam elétrons, que são os portadores positivos.
(A) cristal de germânio (Ge) puro. (B): o germânio possui 4 elétrons na camada de valência e o arsênio (As) e o antimônio (Sb) possuem 5 elétrons de valência. Dopando-se o Ge com As, cada átomo de As estabelece uma ligação covalente com 4 átomos de Ge. Dos 5 elétrons de valência do As, restará um fracamente ligado ao núcleo - é o elétron livre de condução. (C) o índio (In) possui 3 elétrons de valência. Dopando-se o Ge com In estabelece-se uma ligação covalente com 3 átomos de Ge. Neste caso "sobra" um lugar livre para um elétron, isto é, temos uma lacuna. (Representações sem escala, uso de cores fantasia)
Os semicondutores dopados que apresentam elétrons livres na rede são chamados semicondutores tipo n; os semicondutores dopados que apresentam lacunas na rede são chamados semicondutores tipo p. Um contato direto entre esses dois tipos de semicondutores, n e p, dá origem a um dispositivo semicondutor muito versátil e muito comum nas a´licações eletrônicas dos últimos 60 anos, são os diodos de junção p-n.
Diodo semicondutor de junção (p-n)
Como o nome diz, os diodos são obtidos pela junção de dois semicondutores, um do tipo p e outro do tipo n. Nesse contato, elétrons não ligados do semicondutor tipo n migram para lacunas do semicondutor tipo p, completando as ligações covalentes.
O fluxo de elétrons através da fronteira da junção denomina-se corrente de difusão eletrônica e pode ser mantido continuamente polarizando-se diretamente o diodo com uma tensão mínima de 0,7 volt nos diodos de silício e 0,3 voltnos diodos de germânio. Nessas condições o diodo conduz muito bem, apresentando uma resistência elétrica direta relativamente pequena, apresentando valores típicos não superiores a 50 ohms. O oposto ocorre quando o diodo é reversamente polarizado.
Neste caso a corrente de difusão terá intensidade muito pequena, no máximo da ordem de alguns poucos microampères; a resistência elétrica reversa do diodo será muito elevada, da ordem de algumas centenas de quilo-ohms ou mais, podendo-se considerar que, nessas condições, o diodo praticamente não conduz.
(A) Polarização direta: chave fechada. (B) Polarização reversa: chave aberta.
Na polarização direta o diodo conduz muito bem, e apresenta resistência elétrica muito baixa. Na polarização reversa o diodo praticamente não conduz, e apresenta resistência elétrica muito alta.
Em resumo podemos comparar o diodo a uma "chave fechada" quando diretamente polarizado e a uma "chave aberta" quando reversamente polarizado. O símbolo do diodo é uma seta que indica a condução quando polarizado diretamente e uma barreira que impede a passagem da corrente no sentido da polarização reversa.
Além de atuarem como chaves eletrônicas nos circuitos, os diodos tabém são usados como retificadores de corrente, isto é, convertem correntes alternantes em correntes contínuas. Uma corrente elétrica é alternante (CA) quando seu sentido se inverte, em geral, periodicamente. A corrente alternante mais comum é a senoidal. Uma corrente é considerada contínua (CC) quando tem sempre o mesmo sentido; se tiver sempre a mesma intensidade será contínua e constante. Um diodo retificador converte uma corrente ou tensão alternante em corrente ou tensão contínua pulsante, isto é, num único sentido, porém com intensidade variável, como mostra a figura.
Representação, como função do tempo, da intensidade de uma corrente elétrica alternante senoidal (a) e de sua retificação (b).
A lógica da retificação da corrente alternante, usando apenas um diodo, é a seguinte: no semi-período positivo da corrente alternante, intervalos de tempo entre 0 e T?2 e entre T e 3T?2 do gráfico (a), o diodo conduz (chave fechada: ?passa corrente?). No semi-período negativo, intervalos de tempo entre T?2 e T do gráfico 6.XX (a), o diodo não conduz (chave aberta: ?não passa corrente?). Assim, o gráfico da corrente retificada fica com o aspecto mostrado na figura (b). Esse tipo de retificação chama-se retificação de "meia onda", pois a cada meio período há um corte na condução da corrente.
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