O efeito descrito no tutorial anterior é alcançado sem que qualquer tensão externa seja aplicada à junção PN real, resultando na junção estar em estado de equilíbrio.
No entanto, se fizermos ligações eléctricas nas extremidades dos materiais do tipo N e do tipo P e depois as ligarmos a uma fonte de energia adicional, existe agora uma fonte de energia adicional para ultrapassar a barreira potencial.
O efeito da adição desta fonte de energia adicional resulta no facto de os electrões livres poderem atravessar a região de esgotamento de um lado para o outro. O comportamento da junção PN em relação à largura da barreira potencial produz um dispositivo de dois terminais condutores assimétricos, mais conhecido como Diodo de Junção PN.
Um Diodo de Junção PN é um dos dispositivos semicondutores mais simples ao redor, e que tem a característica de passar a corrente em apenas uma direção. No entanto, ao contrário de um resistor, um diodo não se comporta linearmente em relação à tensão aplicada, pois o diodo tem uma relação corrente-tensão exponencial ( I-V ) e, portanto, não podemos descrever seu funcionamento simplesmente usando uma equação como a lei de Ohm.
Se for aplicada uma tensão positiva adequada (polarização para a frente) entre as duas extremidades da junção PN, ela pode fornecer elétrons e orifícios livres com a energia extra necessária para atravessar a junção, pois a largura da camada de depleção ao redor da junção PN é diminuída.
Aplicando uma tensão negativa (polarização para trás), as cargas livres são retiradas da junção, resultando no aumento da largura da camada de depleção. Isto tem o efeito de aumentar ou diminuir a resistência efetiva da própria junção permitindo ou bloqueando o fluxo de corrente através dos diodos pn-junção.
Então a camada de depleção aumenta com um aumento na aplicação de uma tensão reversa e diminui com um aumento na aplicação de uma tensão dianteira. Isto é devido às diferenças nas propriedades elétricas nos dois lados da junção PN, resultando em mudanças físicas. Um dos resultados produz retificação como visto nas características estáticas I-V (corrente-tensão) dos diodos de junção PN. A retificação é mostrada por um fluxo de corrente assimétrico quando a polaridade da tensão de polarização é alterada como mostrado abaixo.
Símbolo do Diodo de Função e Características do I-V Estático
Mas antes de podermos usar a junção PN como um dispositivo prático ou como um dispositivo retificador precisamos primeiramente polarizar a junção, ou seja, conectar um potencial de tensão através dela. No eixo de tensão acima, “Polarização Inversa” refere-se a um potencial de tensão externo que aumenta a barreira de potencial. Diz-se que uma tensão externa que diminui a barreira de potencial atua na direção “Polarização dianteira”.
Existem duas regiões de operação e três condições de “polarização” possíveis para o Diodo de Junção padrão e estas são:
- 1. Polarização Zero – Nenhum potencial de tensão externa é aplicado ao Díodo de Junção PN.
- 2. Polarização inversa – O potencial de tensão é conectado negativo, (-ve) ao material tipo P e positivo, (+ve) ao material tipo N através do diodo que tem o efeito de Aumentar a largura do diodo de junção PN.
- 3. Polarização frontal – O potencial de tensão é conectado positivo, (+ve) ao material tipo P e negativo, (-ve) ao material tipo N através do diodo que tem o efeito de Diminuir a largura dos diodos de junção PN.
Diodo de junção polarizada Zero
Quando um diodo é conectado na condição de Polarização Zero, nenhuma energia potencial externa é aplicada à junção PN. No entanto, se os terminais dos diodos estiverem em curto-circuito, alguns orifícios (a maioria portadores) no material do tipo P com energia suficiente para superar a barreira potencial se moverão através da junção contra este potencial de barreira. Isto é conhecido como “Corrente dianteira” e é referido como IF
Likewise, furos gerados no material do tipo N (portadores minoritários), acham esta situação favorável e movem-se através da junção na direcção oposta. Isto é conhecido como a “Corrente Inversa” e é referenciado como RI. Essa transferência de elétrons e furos para frente e para trás através da junção PN é conhecida como difusão, como mostrado abaixo.
Diodo de junção PN tendencioso
A barreira potencial que agora existe desencoraja a difusão de qualquer outro portador majoritário através da junção. Entretanto, a barreira potencial ajuda os portadores minoritários (poucos elétrons livres na região P e poucos furos na região N) a se deslocarem através da junção.
Então será estabelecido um “Equilíbrio” ou equilíbrio quando os portadores majoritários forem iguais e ambos se moverem em direções opostas, de modo que o resultado líquido seja corrente zero fluindo no circuito. Quando isto ocorre, diz-se que a junção está em estado de “Equilíbrio Dinâmico”.
Os portadores minoritários são constantemente gerados devido à energia térmica para que este estado de equilíbrio possa ser quebrado pelo aumento da temperatura da junção PN causando um aumento na geração dos portadores minoritários, resultando assim num aumento da corrente de fuga mas uma corrente eléctrica não pode fluir uma vez que nenhum circuito foi ligado à junção PN.
Diodo de junção PN com polarização inversa
Quando um diodo é conectado em condição de polarização inversa, uma tensão positiva é aplicada ao material do tipo N e uma tensão negativa é aplicada ao material do tipo P.
A tensão positiva aplicada ao material do tipo N atrai elétrons em direção ao eletrodo positivo e para longe da junção, enquanto os orifícios na extremidade do tipo P também são atraídos para longe da junção em direção ao eletrodo negativo.
O resultado líquido é que a camada de depleção cresce mais devido à falta de elétrons e orifícios e apresenta um caminho de alta impedância, quase um isolante e uma barreira de alto potencial é criada através da junção, impedindo assim que a corrente flua através do material semicondutor.
Aumento na camada de depleção devido ao viés inverso
Esta condição representa um alto valor de resistência à junção PN e praticamente nenhuma corrente flui através do diodo de junção com um aumento da tensão de viés. No entanto, uma corrente de fuga inversa muito pequena flui através da junção que normalmente pode ser medida em micro-amperes, ( μA ).
Um ponto final, se a tensão de polarização inversa Vr aplicada ao díodo for aumentada a um valor suficientemente alto, fará com que a junção PN do díodo sobreaqueça e falhe devido ao efeito de avalanche ao redor da junção. Isto pode fazer com que o diodo fique em curto-circuito e resultará no fluxo da corrente máxima do circuito, e isto é mostrado como uma inclinação para baixo na curva das características estáticas inversas abaixo.
Curva de Características Inversa para um Díodo de Junção
Algumas vezes este efeito de avalanche tem aplicações práticas em circuitos estabilizadores de tensão onde é utilizado um resistor limitador em série com o díodo para limitar esta corrente de ruptura inversa a um valor máximo predefinido, produzindo assim uma saída de tensão fixa através do díodo. Esses tipos de diodos são comumente conhecidos como Díodos Zener e são discutidos em um tutorial posterior.
Diodo de junção PN tendencioso para frente
Quando um diodo é conectado em uma condição de polarização para frente, uma tensão negativa é aplicada ao material tipo N e uma tensão positiva é aplicada ao material tipo P. Se esta tensão externa se tornar maior que o valor da barreira potencial, aproximadamente 0,7 volts para o silício e 0,3 volts para o germânio, a oposição da barreira potencial será superada e a corrente começará a fluir.
Isto porque a tensão negativa empurra ou repele os elétrons em direção à junção dando-lhes a energia para atravessar e combinar com os orifícios sendo empurrados na direção oposta em direção à junção pela tensão positiva. Isto resulta em uma curva característica de corrente zero fluindo até este ponto de tensão, chamada de “joelho” nas curvas estáticas e, em seguida, um alto fluxo de corrente através do diodo com pouco aumento da tensão externa, como mostrado abaixo.
Curva de Características Avançadas para um Díodo de Junção
A aplicação de uma tensão de polarização para a frente no díodo de junção resulta numa camada de depleção muito fina e estreita que representa um caminho de baixa impedância através da junção permitindo assim o fluxo de correntes elevadas. O ponto em que este súbito aumento de corrente ocorre é representado na curva característica estática I-V acima como o ponto “joelho”.
Redução na camada de depleção devido ao viés para frente
Esta condição representa o caminho de baixa resistência através da junção PN permitindo que correntes muito grandes fluam através do diodo com apenas um pequeno aumento na tensão de viés. A diferença real de potencial através da junção ou diodo é mantida constante pela ação da camada de depleção em aproximadamente 0,3v para o germânio e aproximadamente 0,7v para os diodos de junção de silício.
Desde que o diodo pode conduzir corrente “infinita” acima deste ponto do joelho como efetivamente se torna um curto-circuito, portanto resistências são usadas em série com o diodo para limitar seu fluxo de corrente. Exceder a sua especificação de corrente máxima de avanço faz com que o dispositivo dissipe mais energia sob a forma de calor do que foi concebido para resultar numa falha muito rápida do dispositivo.
Diodo de Função Resumo
A região de junção PN de um Díodo de Junção tem as seguintes características importantes:
- Semicondutores contêm dois tipos de portadores de carga móveis, “Buracos” e “Electrões”.
- Os furos são carregados positivamente enquanto os elétrons são carregados negativamente.
- Um semicondutor pode ser dopado com impurezas do doador, como o Antimônio (doping do tipo N), de modo que contém cargas móveis que são principalmente elétrons.
- Um semicondutor pode ser dopado com impurezas aceitáveis, como o Boro (doping do tipo P), de modo a conter cargas móveis que são principalmente orifícios.
- A região da junção em si não tem portadores de carga e é conhecida como a região de esgotamento.
- A região da junção (esgotamento) tem uma espessura física que varia com a tensão aplicada.
- Quando um diodo é Zero Biased nenhuma fonte de energia externa é aplicada e uma Barreira de Potencial natural é desenvolvida através de uma camada de esgotamento que é aproximadamente 0.5 a 0,7v para diodos de silício e aproximadamente 0,3 de volts para diodos de germânio.
- Quando um diodo de junção é Polarizado para frente a espessura da região de esgotamento se reduz e o diodo age como um curto-circuito permitindo o fluxo de corrente total do circuito.
- Quando um diodo de junção é Polarizado para trás a espessura da região de esgotamento aumenta e o diodo age como um circuito aberto bloqueando qualquer fluxo de corrente, (apenas uma corrente de fuga muito pequena irá fluir).
Vimos também acima que o diodo é dois dispositivos terminais não lineares cuja característica I-V depende da polaridade da tensão aplicada, VD o diodo é Polarizado para a frente, VD > 0 ou Polarizado para trás, VD < 0. De qualquer forma podemos modelar estas características de corrente-tensão tanto para um diodo ideal como para um diodo de silício real como mostrado:
Diodo de função Ideal e Características Reais
No próximo tutorial sobre diodos, vamos olhar para o pequeno diodo de sinal às vezes chamado de diodo de comutação que é usado em circuitos eletrônicos em geral. Como seu nome indica, o diodo de sinal é projetado para aplicações de baixa tensão ou alta freqüência, como em circuitos de comutação de rádio ou digital.
Díodos de sinalização, como o 1N4148 só passam correntes elétricas muito pequenas, ao contrário dos diodos de retificação de alta corrente da rede elétrica, nos quais os diodos de silício são normalmente usados. Também no próximo tutorial vamos examinar a curva e os parâmetros das características estáticas de corrente e tensão do Diodo de Sinal.
