Diodos: junção pn, tipos, construção e trabalho

O que é diodo?

Em geral, todos os dispositivos eletrônicos precisam de fonte de alimentação CC, mas é impossível gerar energia CC, então, precisamos de uma alternativa para obter alguma energia CC, portanto, o uso de diodos entra em cena para converter energia CA em energia CC. Um diodo é um minúsculo componente eletrônico usado em quase todos os circuitos eletrônicos para permitir o fluxo de corrente em apenas uma direção ( dispositivo unidirecional ) Podemos dizer que o uso de materiais semicondutores para construir os componentes eletrônicos foi iniciado com diodos. Antes da invenção do diodo existiam com tubos de vácuo, onde as aplicações de ambos os dispositivos são semelhantes, mas o tamanho ocupado pelo tubo de vácuo será muito maior do que os diodos. A construção dos tubos de vácuo é um pouco complexa e de difícil manutenção quando comparados com os diodos semicondutores. Poucas aplicações de diodos são retificação, amplificação, interruptor eletrônico, conversão de energia elétrica em energia luminosa e energia luminosa em energia elétrica.

História do Diodo:

No ano de 1940 no Bell Labs, Russell Ohl estava trabalhando com um cristal de silício para descobrir suas propriedades. Um dia, acidentalmente, quando o cristal de silício que tinha uma rachadura foi exposto à luz do sol, ele encontrou o fluxo de corrente através do cristal e isso foi mais tarde chamado de diodo, que foi o início da era dos semicondutores.

Construção do diodo:

Os materiais sólidos são geralmente classificados em três tipos: condutores, isolantes e semicondutores. Os condutores têm um número máximo de elétrons livres, os isoladores têm um número mínimo de elétrons livres (desprezível, de modo que o fluxo de corrente não é possível), enquanto os semicondutores podem ser condutores ou isolantes, dependendo do potencial aplicado a eles. Os semicondutores de uso geral são o silício e o germânio. O silício é preferido porque está abundantemente disponível na Terra e oferece uma melhor faixa térmica.

Os semicondutores são classificados em dois tipos, como semicondutores intrínsecos e extrínsecos.

Semicondutores intrínsecos:

Eles também são chamados de semicondutores puros, onde os portadores de carga (elétrons e lacunas) estão em quantidades iguais na temperatura ambiente. Portanto, a condução de corrente ocorre por buracos e elétrons igualmente.

Semicondutores extrínsecos:

Para aumentar o número de buracos ou elétrons em um material, optamos por semicondutores extrínsecos onde impurezas (exceto silício e germânio ou simplesmente materiais trivalentes ou pentavalentes) são adicionadas ao silício. Este processo de adição de impurezas aos semicondutores puros é denominado dopagem.

Formação de semicondutores do tipo P e N:

Semicondutor tipo N:

Se elementos pentavalentes (número de elétrons de valência são cinco) são adicionados ao Si ou Ge, então há elétrons livres disponíveis. À medida que os electrões (portadores de carga negativa) são mais em número, estes são chamados como semicondutor do tipo n . No tipo N, os elétrons semicondutores são portadores de carga majoritários e os buracos são portadores de carga minoritários.

Poucos elementos pentavalentes são Fósforo, Arsênico, Antimônio e Bismuto. Uma vez que eles têm excesso de elétrons de valência e estão prontos para emparelhar com a partícula externa carregada positivamente, esses elementos são chamados de Doadores .

Semicondutor P-Type

Da mesma forma, se elementos trivalentes como Boro, Alumínio, Índio e Gálio são adicionados ao Si ou Ge, um buraco é criado porque um número de elétrons de valência nele são três. Uma vez que um buraco está pronto para aceitar um elétron e ser emparelhado, ele é chamado de Aceitadores . Como o número de furos são excesso de material recentemente formado estes são chamados como semicondutores do tipo P . No tipo P, os buracos semicondutores são portadores de carga majoritários e os elétrons são portadores de carga minoritários.

Diodo de junção PN:

Agora, se juntarmos os dois tipos de semicondutores tipo P e tipo N, então um novo dispositivo é formado chamado de diodo de junção PN. Uma vez que se forma uma junção entre um material do tipo P e do tipo N, é chamada de junção PN.

A palavra diodo pode ser explicada como 'Di' significa dois e 'ode' é obtido do eletrodo. Como o componente recém-formado pode ter dois terminais ou eletrodos (um conectado ao tipo P e o outro ao tipo N), ele é chamado de diodo ou diodo de junção PN ou diodo semicondutor.

O terminal conectado ao material tipo P é denominado ânodo e o terminal conectado ao material tipo N é denominado cátodo .

A representação simbólica do diodo é a seguinte.

A seta indica o fluxo de corrente através dele quando o diodo está no modo polarizado direto, o traço ou o bloco na ponta da seta indica o bloqueio de corrente na direção oposta.

Teoria da junção PN:

Vimos como um diodo é feito com semicondutores P e N, mas precisamos saber o que acontece dentro dele para formar uma propriedade única de permitir corrente em apenas uma direção e o que acontece no ponto exato de contato inicialmente em sua junção.

Formação de junção:

Inicialmente, quando ambos os materiais são unidos (sem qualquer tensão externa aplicada), o excesso de elétrons no tipo N e os buracos em excesso no tipo P serão atraídos um pelo outro e recombinados onde ocorrer a formação de íons imóveis e Aceitador) ocorre como mostrado na imagem abaixo. Esses íons imóveis resistem ao fluxo de elétrons ou buracos através deles que agora atuam como uma barreira entre os dois materiais (a formação de barreira significa que os íons imóveis se difundem nas regiões P e N). A barreira que agora se forma é chamada de região de esgotamento . A largura da região de depleção, neste caso, depende da concentração de dopagem nos materiais.

Se a concentração de dopagem for igual em ambos os materiais, então os íons imóveis se difundem em ambos os materiais P e N igualmente.

E se as concentrações de dopagem forem diferentes?

Bem, se o doping difere, a largura da região de depleção também difere. Sua difusão é mais na região levemente dopada e menos na região fortemente dopada .

Agora vamos ver o comportamento do diodo quando a tensão adequada é aplicada.

Diodo em polarização direta

Existem vários diodos cuja construção é semelhante, mas o tipo de material utilizado é diferente. Por exemplo, se considerarmos um diodo emissor de luz, ele é feito de materiais de alumínio, gálio e arseneto que, quando excitado, libera energia na forma de luz. Da mesma forma, a variação nas propriedades do diodo, como capacitância interna, tensão limite, etc., são consideradas e um diodo específico é projetado com base nelas.

Aqui, explicamos vários tipos de diodos com seu funcionamento, símbolo e aplicações:

• Diodo Zener
• CONDUZIU
• Diodo LASER
• Foto-diodo
• Diodo Varactor
• Diodo Schottky
• Diodo túnel
• Diodo PIN etc.

Vamos ver o princípio de funcionamento e construção desses dispositivos brevemente.

Diodo Zener:

As regiões P e N neste diodo são fortemente dopadas, de modo que a região de depleção é muito estreita. Ao contrário de um diodo normal, sua tensão de ruptura é muito baixa, quando a tensão reversa é maior ou igual à tensão de ruptura, a região de depleção desaparece e uma tensão constante passa pelo diodo mesmo se a tensão reversa aumenta. Portanto, o diodo é usado para regular a tensão e manter a tensão de saída constante quando polarizado corretamente. Aqui está um exemplo de limitação de tensão usando Zener.

A quebra do diodo Zener é chamada de quebra do zener . Isso significa que quando a tensão reversa é aplicada ao diodo zener, um forte campo elétrico é desenvolvido na junção, o que é suficiente para quebrar as ligações covalentes dentro da junção e causar um grande fluxo de corrente através dela. A quebra do Zener é causada em tensões muito baixas quando comparada à quebra da avalanche.

Existe outro tipo de avaria, chamada avalanche, geralmente vista no diodo normal, que requer grande quantidade de voltagem reversa para romper a junção. Seu princípio de funcionamento é quando o diodo é polarizado reversamente, pequenas correntes de fuga passam através do diodo, quando a voltagem reversa é ainda mais aumentada, a corrente de fuga também aumenta, o que é rápido o suficiente para quebrar algumas ligações covalentes dentro da junção esses novos portadores de carga quebram ainda mais as ligações covalentes restantes causando enormes correntes de fuga que podem danificar o diodo para sempre.

Diodo emissor de luz (LED):

Sua construção é semelhante a um diodo simples, mas várias combinações de semicondutores são usadas para gerar cores diferentes. Ele funciona no modo polarizado direto. Quando a recombinação do buraco do elétron ocorre, um fóton resultante é liberado e emite luz. Se a tensão direta for aumentada, mais fótons serão liberados e a intensidade da luz também aumentará, mas a tensão não deve exceder seu valor limite, caso contrário o LED será danificado.

Para gerar cores diferentes, as combinações são usadas AlGaAs (Arsenieto de Gálio Alumínio) - vermelho e infravermelho, GaP (Fosfeto de Gálio) - amarelo e verde, InGaN (Nitreto de Índio Gálio) - LEDs azuis e ultravioletas etc. Verifique um circuito de LED Simples aqui.

Para um LED IV, podemos ver sua luz através de uma câmera.

Diodo LASER:

LASER significa amplificação de luz por emissão estimulada de radiação. Uma junção PN é formada por duas camadas de arsenieto de gálio dopado, onde um revestimento reflexivo alto é aplicado a uma extremidade da junção e um revestimento reflexivo parcial na outra extremidade. Quando o diodo é polarizado para frente semelhante ao LED, ele libera fótons, estes atingem outros átomos de forma que os fótons serão liberados excessivamente, quando um fóton atinge o revestimento reflexivo e atinge a junção novamente, mais liberação de fótons, este processo se repete e um feixe de alta intensidade de luz é liberada em apenas uma direção. O diodo laser precisa de um circuito de driver para funcionar corretamente.

A representação simbólica de um diodo LASER é semelhante à do LED.

Foto-diodo:

Em um fotodíodo, a corrente que passa depende da energia da luz aplicada na junção PN. É operado em polarização reversa. Conforme discutido anteriormente, uma pequena corrente de fuga flui através de um diodo quando polarizada reversa, que é aqui chamada de corrente escura . Como a corrente é devido à falta de luz (escuridão) é assim chamada. Este diodo é construído de forma que, quando a luz atinge a junção, é suficiente para quebrar os pares de lacunas de elétrons e gerar elétrons que aumentam a corrente de fuga reversa. Aqui você pode verificar Fotodiodo funcionando com LED IR.

Diodo Varactor:

É também chamado de diodo Varicap (capacitor variável). Ele opera em modo polarizado reverso. A definição geral de uma separação de capacitor de placa condutora com um isolador ou um dielétrico, quando um diodo normal é polarizado reversamente, a largura da região de depleção aumenta, pois a região de depleção representa um isolador ou um dielétrico, ele pode agora atuar como capacitor. Com a variação da tensão reversa faz com que a separação das regiões P e N varie assim fazendo com que o diodo funcione como capacitor variável.

Como a capacitância aumenta com a diminuição da distância entre as placas, a grande tensão reversa significa baixa capacitância e vice-versa.

Diodo Schottky:

O semicondutor do tipo N é unido ao metal (ouro, prata) de forma que elétrons de alto nível de energia existam no diodo, eles são denominados como portadores quentes, então este diodo também é chamado de diodo portador quente . Ele não tem portadores minoritários e nenhuma região de depleção existe. Em vez disso, existe uma junção semicondutora de metal, quando este diodo é polarizado diretamente, ele atua como condutor, mas a carga tem altos níveis de energia que são úteis na comutação rápida, especialmente em circuitos digitais. usado em aplicações de microondas. Verifique o Diodo Schottky em ação aqui.

Diodo túnel:

As regiões P e N neste diodo são fortemente dopadas, de forma que a existência de um esgotamento é muito estreita. Exibe região de resistência negativa que pode ser usada como oscilador e amplificadores de microondas. Quando este diodo é polarizado para frente em primeiro lugar, uma vez que a região de depleção é estreita no túnel de elétrons, a corrente aumenta rapidamente com uma pequena mudança na voltagem. Quando a tensão é ainda mais aumentada, devido ao excesso de elétrons na junção, a largura da região de depleção começa a aumentar causando o bloqueio da corrente direta (onde a região de resistência negativa se forma) quando a tensão direta é ainda mais aumentada, ela atua como um diodo normal.

Diodo PIN:

Neste diodo, as regiões P e N são separadas por um semicondutor intrínseco. Quando o diodo é polarizado reversamente, ele atua como um capacitor de valor constante. Na condição de polarização direta, ele atua como uma resistência variável que é controlada pela corrente. É usado em aplicações de micro-ondas que devem ser controladas por voltagem DC.

Sua representação simbólica é semelhante a um diodo PN normal.

Aplicações de Diodos:

• Fonte de alimentação regulada: Praticamente é impossível gerar tensão DC, o único tipo de fonte disponível é a tensão AC. Como os diodos são dispositivos unidirecionais, eles podem ser usados ​​para converter a tensão CA em CC pulsante e, com outras seções de filtragem (usando capacitores e indutores), uma tensão CC aproximada pode ser obtida.

• Circuitos sintonizadores: Em sistemas de comunicação na extremidade do receptor, uma vez que a antena recebe todas as frequências de rádio disponíveis no espaço, é necessário selecionar uma frequência desejada. Assim, são usados ​​circuitos de sintonizador que nada mais são do que o circuito com capacitores e indutores variáveis. Neste caso, um diodo varactor pode ser usado.

• Televisores, semáforos, painéis de exibição: Para exibir imagens em TVs ou painéis de exibição são usados ​​LEDs. Visto que o LED consome muito menos energia, ele é amplamente utilizado em sistemas de iluminação como lâmpadas LED.

• Reguladores de tensão: Como o diodo Zener tem uma tensão de ruptura muito baixa, ele pode ser usado como um regulador de tensão em caso de polarização reversa.

• Detectores em sistemas de comunicação: Um detector bem conhecido que usa diodo é um detector de envelope que é usado para detectar os picos do sinal modulado.