Os díodos de estado sólido são amplamente utilizados em engenharia eléctrica e electrónica. Com o seu baixo custo e boa relação potência/tamanho, substituiu rapidamente dispositivos de vácuo de aplicação semelhante.
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Construção e funcionamento de um díodo semicondutor
Um díodo semicondutor é constituído por duas regiões (camadas) feitas de um semicondutor (silício, germânio, etc.). Uma região tem um excesso de electrões livres (n-semicondutor), e outra tem uma escassez (p-semicondutor) - isto é conseguido através da dopagem do material de base. No meio é uma pequena zona na qual um excesso de electrões livres do pólo n "cobre" os buracos do pólo p (recombinação por difusão), e não existem portadores gratuitos nesta região. Quando é aplicada uma tensão directa, a região de recombinação é pequena, a sua resistência é baixa, e o díodo transporta corrente nessa direcção. Quando a tensão inversa é aplicada, a zona livre de portadoras irá aumentar e a resistência do díodo irá aumentar. Nenhuma corrente irá fluir nesta direcção.
Tipos, Classificação e Gráficos em Circuitos Eléctricos
Em geral, um díodo é indicado num diagrama por uma seta estilizada que indica a direcção da corrente. Uma representação gráfica convencional (CSR) de um dispositivo contém dois terminais - ânodo e cátodoOs semicondutores de dois pólos são ligados em ligação directa ao lado positivo e negativo do circuito, respectivamente.
Existem muitas variedades deste dispositivo semicondutor de dois pólos, que podem ter um CSD ligeiramente diferente, dependendo do seu objectivo.
Estabilitrons (Díodos Zener)
Um estabilitron é um dispositivo semicondutorFunciona com tensão inversa na região de ruptura da avalanche. Nesta região, a tensão através de um díodo Zener é estável numa vasta gama de fluxos de corrente através do dispositivo. Esta propriedade é utilizada para estabilizar a tensão através da carga.
Estabilistores
Os estabilitrons fazem um bom trabalho de estabilização de tensões a partir de 2V e superiores. A fim de obter uma tensão constante abaixo deste limite, são utilizados estabilizadores. Ao dopar o material a partir do qual estes dispositivos são fabricados (silício, selénio), obtém-se a maior verticalidade possível da linha recta da característica. Este é o modo em que os Estabilizadores funcionam, produzindo uma tensão de referência entre 0,5V e 2V no ramo dianteiro da característica de amplificador de tensão na tensão dianteira.
Díodos Schottky
Os díodos Schottky são baseados num circuito semicondutor-metal e não têm uma junção comum. Isto fornece duas propriedades importantes:
- Redução da queda de tensão para a frente (cerca de 0,2 V);
- Frequências de funcionamento mais elevadas devido a uma menor capacidade intrínseca.
As desvantagens são correntes inversas mais elevadas e menor tolerância à tensão inversa.
Varicaps .
Cada díodo tem uma capacitância eléctrica. As duas cargas a granel (as regiões p e n semiconductoras) servem como as conchas do condensador, e o dieléctrico é a camada de bloqueio. Quando é aplicada uma tensão inversa, esta camada expande-se e a capacitância diminui. Esta propriedade é inerente a todos os díodos, mas com varicaps a capacitância é normalizada e conhecida em determinados limites de tensão. Isto torna possível a utilização de dispositivos tais como condensadores com capacitância variável e utilizado para afinar ou afinar circuitos, fornecendo diferentes níveis de tensão inversa.
Diodos de túnel
Estes dispositivos têm uma deflexão na secção frontal da característica em que um aumento da tensão provoca uma diminuição da corrente. A resistência diferencial é negativa nesta área. Esta propriedade permite que os díodos de túnel sejam utilizados como amplificadores para sinais fracos e como osciladores em frequências acima dos 30 GHz.
Dinistores
Tirístores de diodo - Os tirístores de diodo têm uma estrutura p-n-p-n e têm uma forma de onda em S, e não conduzem corrente até que a tensão aplicada atinja um nível limite. Depois disso, abre-se e comporta-se como um diodo normal até a corrente cair abaixo do nível de retenção. Os dinistores são utilizados na electrónica de potência como interruptores.
Fotodíodos
Um fotodíodo é feito numa caixa com luz visível que atinge o cristal. Quando a junção p-n é irradiada, é gerado um FME no mesmo. Isto permite que o fotodíodo seja utilizado como fonte de corrente (como parte de uma célula solar) ou como um sensor de luz.
LEDs .
A propriedade básica de um fotodíodo é que ele pode emitir luz quando uma corrente flui através de uma junção p-n. Este brilho não está associado à intensidade de aquecimento de uma lâmpada incandescente, pelo que o dispositivo é económico. Por vezes é utilizado o brilho directo da junção, mas mais frequentemente é utilizado como iniciador para acender o fósforo. Isto tem permitido cores LED anteriormente inatingíveis, tais como azul e branco.
Diodos de pistola
Embora um díodo de Gann tenha o símbolo habitual, não é um díodo no sentido completo da palavra. Isto é porque não tem uma junção p-n. Este dispositivo consiste numa bolacha de arsenieto de gálio sobre um substrato metálico.
Sem entrar nos meandros dos processos: quando um campo eléctrico de certa magnitude é aplicado a um dispositivo, são produzidas oscilações eléctricas, cujo período depende do tamanho da bolacha semicondutora (mas dentro de certos limites a frequência pode ser corrigida por elementos externos).
Os díodos de Gann são utilizados como osciladores a frequências de 1 GHz e superiores. A vantagem do dispositivo é a estabilidade de alta frequência, a desvantagem é a pequena amplitude das oscilações eléctricas.
Magnetodiodos
Os díodos convencionais são fracamente afectados por campos magnéticos externos. Os magnetoscódios são especialmente concebidos para aumentar a sua sensibilidade. São feitos usando tecnologia p-i-n com uma base alargada. Sob a influência de um campo magnético, a resistência à frente do dispositivo aumenta, e isto pode ser utilizado para criar interruptores de proximidade, conversores de campo magnético e afins.
Diodos laser
O princípio de funcionamento de um díodo laser baseia-se na propriedade do par electrão-hole de emitir luz visível monocromática e coerente sob certas condições durante a recombinação. As formas de criar estas condições variam, e o utilizador só precisa de conhecer o comprimento de onda emitido pelo díodo e a sua potência.
Diodos de amplitude de avalanche
Estes dispositivos são utilizados na indústria de microondas. Sob certas condições, um modo de ruptura por avalanche resulta numa região de resistência diferencial negativa sobre a característica do díodo. Esta propriedade dos LPDs permite a sua utilização como geradores, operando em comprimentos de onda até milímetros de alcance. Aí é possível obter uma potência de pelo menos 1 W. A frequências mais baixas, estes díodos produzem até vários quilowatts.
Díodos PIN .
Estes díodos são fabricados utilizando a tecnologia p-i-n. Entre as camadas dopadas de semicondutores, existe uma camada de material não dopado. Por esta razão, as propriedades rectificadoras do díodo são degradadas (a recombinação é reduzida na tensão inversa devido à ausência de contacto directo entre as zonas p- e n-). Por outro lado, devido ao espaçamento das regiões de carga a granel, a capacidade parasitária torna-se muito pequena, a fuga de sinal em frequências elevadas é praticamente eliminada no estado fechado, e os díodos de pinos podem ser utilizados em HF e UHF como elementos de comutação.
Principais características e parâmetros dos díodos
As principais características dos díodos semicondutores (excepto os destinados a fins especiais) são
- tensão inversa máxima admissível (CC e pulso)
- limitar a frequência de funcionamento;
- queda de tensão para a frente;
- gama de temperaturas de funcionamento.
As outras características importantes são melhor ilustradas pela curva I-V do diodo.
Volt-ampere característico de um díodo semicondutor
A característica de um díodo semicondutor de volt-ampere consiste de um ramo dianteiro e um ramo inverso. Estão localizados nos quadrantes I e III, uma vez que a direcção da corrente e tensão através do díodo coincide sempre. A partir da característica volt-ampere, é possível determinar alguns parâmetros e também ver visualmente o que as características do dispositivo afectam.
Tensão limite de condutividade
Se uma tensão directa for aplicada a um díodo e começar a aumentá-la, nada acontecerá no início - a corrente não subirá. Mas a um certo valor, o díodo abrirá e a corrente aumentará de acordo com a voltagem. Esta tensão é chamada de tensão limite de condutividade e é marcada no VAC como limiar U. Depende do material a partir do qual o diodo é feito. Para os semicondutores mais comuns, este parâmetro é:
- silício - 0,6-0,8 V;
- germanium - 0,2-0,3 V;
- Arsenieto de gálio - 1,5 V.
A propriedade dos semicondutores de germânio de abrir em baixa tensão é utilizada em circuitos de baixa tensão e outras situações.
Corrente máxima através de um díodo quando directamente energizado
Após a abertura de um díodo, a sua corrente sobe com uma tensão crescente para a frente. Para um diodo ideal, este gráfico vai até ao infinito. Na prática, é limitado pela capacidade do semicondutor de dissipar calor. Se for atingido um certo limite, o díodo sobreaquecerá e falhará. Para evitar isto, os fabricantes indicam a corrente máxima permitida (Imax no CVC). Isto pode ser aproximado pelo tamanho do diodo e do seu alojamento. Em ordem decrescente:
- Dispositivos metálicos com a corrente mais alta;
- Os invólucros de plástico são concebidos para potências médias;
- Os díodos encapsulados em vidro são utilizados em circuitos de baixa corrente.
Os aparelhos metálicos podem ser montados em radiadores - isto irá aumentar a capacidade de dissipação.
Corrente de fuga invertida
Se a tensão inversa for aplicada a um díodo, um amperímetro de baixa sensibilidade não mostrará nada. De facto, apenas um díodo perfeito não liberta qualquer corrente. Um dispositivo real terá corrente, mas é muito pequeno, e chama-se corrente de fuga inversa (na forma de onda, Iobr). São dezenas de microamperes ou décimos de miliamperes e é muito menor do que a corrente dianteira. Pode ser determinado por livro de referência.
Quebrar a tensão
A um certo valor de tensão inversa há um rápido aumento da corrente que se chama avaria. Isto é do tipo túnel ou avalanche e é reversível. Este modo de funcionamento é utilizado para estabilizar a tensão (modo avalanche) ou para gerar impulsos (modo túnel). Quando a voltagem é aumentada, a avaria torna-se térmica. Este modo é irreversível e o diodo falha.
Capacitância parasitária da junção pn
Já foi mencionado que uma junção p-n tem capacitância eléctrica. E enquanto nas varicaps esta propriedade é útil e utilizada, nos diodos convencionais pode ser prejudicial. Embora a capacitância está na ordem das unidades ou dezenas de pF e pode não ser perceptível em DC ou em baixas frequências, o seu efeito aumenta à medida que a frequência aumenta. Algumas picofaradas em RF irão criar uma resistência suficientemente baixa para a fuga de sinal parasita, aumentar a capacidade existente e alterar os parâmetros do circuito, e combinar com a indutância de um condutor de chumbo ou de um condutor impresso para formar um circuito com ressonância parasita. Por conseguinte, são tomadas medidas no fabrico de dispositivos de alta-frequência para reduzir a capacidade de junção.
Rotulagem de díodos
O método mais simples de etiquetagem de díodos é a utilização de uma caixa metálica. Na maioria dos casos, são rotulados com a designação do dispositivo e a atribuição dos pinos. Os díodos em caixas de plástico são marcados com uma marca de anel no lado do cátodo. Mas não há garantia de que o fabricante siga estritamente esta regra, por isso é melhor consultar um livro de referência. Melhor ainda, utilizar um multímetro para testar o dispositivo.
Os estabilitrons domésticos de baixa potência e alguns outros dispositivos podem ter dois anéis ou pontos de cores diferentes em lados opostos da caixa. Para determinar o tipo de tal díodo e o seu pino, é necessário obter um livro de referência ou encontrar um identificador de marcação em linha na Internet.
Aplicações para díodos
Apesar da sua construção simples, os díodos semicondutores são amplamente utilizados em electrónica:
- Para rectificar Tensão CA. Um clássico do género - utilizando a propriedade da junção p-n para conduzir a corrente numa direcção.
- Detectores de díodos. Isto utiliza a não linearidade da forma de onda para permitir a extracção de harmónicos do sinal, dos quais os harmónicos desejados podem ser captados por filtros.
- Dois díodos comutados em contra-paralelo servem como limitador para sinais de alta potência que podem sobrecarregar as fases de entrada a jusante de receptores de rádio sensíveis.
- Os estabilitrons podem ser incluídos como elementos de protecção contra faíscas para evitar que os impulsos de alta tensão atinjam os circuitos dos sensores instalados em áreas perigosas.
- Os díodos podem servir como dispositivos de comutação em circuitos de alta-frequência. Abrem com tensão DC e permitem a passagem (ou não) do sinal HF.
- Os díodos paramétricos servem como amplificadores de sinais fracos na gama de microondas devido à presença de uma secção de impedância negativa na linha recta da característica.
- Os díodos são utilizados para construir misturadores que operam em equipamento de transmissão ou recepção. Eles misturam sinal heterodyne com um sinal de alta frequência (ou baixa frequência) para processamento posterior. Isto também tira partido da não-linearidade da IAC.
- A característica não linear permite que os díodos UHF sejam utilizados como multiplicadores de frequência. Quando um sinal passa por um díodo multiplicador, os harmónicos superiores são extraídos. Estes podem ser ainda mais isolados através de filtragem.
- Os díodos são utilizados como elementos de afinação em circuitos ressonantes. Isto faz uso da capacitância controlada na junção p-n.
- Alguns tipos de díodos são utilizados como osciladores na gama de microondas. Estes são principalmente díodos de túnel e dispositivos de efeito Gann.
Esta é apenas uma breve descrição das capacidades dos dispositivos semicondutores com duas pistas. Com um estudo aprofundado das propriedades e características, os díodos podem ser utilizados para resolver muitos dos desafios colocados aos desenhadores de dispositivos electrónicos.
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