A Teoria dos Diodos

Olá a todos! Estudamos recentemente a teoria sobre os materiais semicondutores e, dando continuação ao tema, falaremos hoje sobre a teoria do funcionamento do diodo. Neste post você ficará sabendo o que é um diodo, qual a sua função e aprenderá o necessário para vermos mais coisas futuramente.

O diodo mais comum consiste "simplesmente" da união de uma junção tipo N com uma junção tipo P. De um lado, ele possui material com muitos elétrons livres, enquanto do outro um material com muitas lacunas. No local de união desse material, alguns elétrons preencherão as lacunas (fenômeno chamado de recombinação), formando ali no meio uma região sem portadores de cargas livres. Essa região é chamada de camada de depleção. A figura abaixo esquematiza bem o interior do diodo:

O que acontece, com mais detalhes, é o seguinte. De um lado temos uma região N, ou seja, ela tem muitos elétrons livres. Essa região possui o material semicondutor (em geral silício) dopado com átomos pentavalentes, ou seja, que possuem 5 elétrons na última camada. Como na ligação covalente dos átomos de silício só são utilizados 4 elétrons, um daqueles cinco fica "sobrando", com bastante liberdade para se movimentar e conduzir corrente elétrica.

Do outro lado temos a região tipo P. Ali o material semicondutor é dopado com átomos trivalentes, ou seja, com apenas 3 elétrons na última camada. Como já falei antes, a ligação covalente necessita de 4 elétrons, mas como esse átomo possui apenas 3, ele deixa um "buraco" no lugar da ligação daquele quarto elétron. O nome desse buraco é lacuna, e ela se comporta como se fosse uma carga positiva, que se movimenta e conduz corrente elétrica. Para entender melhor essa parte recomendo as postagens "Modelo Atômico" e principalmente "Uma Introdução aos Semicondutores".

No ponto onde as duas regiões se juntam (chamado convenientemente de junção) ocorre a mágica dos semicondutores. De um lado temos alguns elétrons com liberdade para se movimentar. Do outro temos lugares onde deveriam ter elétrons, mas a ausência destes formou um "buraco". Então é natural pensar que alguns elétrons que estiverem passando por perto acabarão "caindo" nesses buracos, realizando o fenômeno chamado recombinação, que já falei anteriormente.

Agora, naquela região central, não há nem elétrons livres e nem lacunas, ou seja, não há nada para conduzir corrente elétrica naquela parte do diodo. Então a configuração do diodo é a parte N, com elétrons livres, a camada de depleção, sem portadores de carga, e a região P, que possui lacunas que se comportam como cargas positivas.

É interessante o resultado obtido com isso. Vamos fazer um pequeno exercício mental indispensável para quem quer realmente entender o funcionamento deste componente. Observe novamente a figura do diodo e imagine o que acontece quando colocamos um potencial positivo no lado P e outro negativo no lado N. As lacunas do lado P são empurradas (pela repulsão) em direção a camada de depleção, enquanto os elétrons livres do lado N também o são. Isso porque cargas iguais se repelem. Com isso a camada de depleção diminui. Se a diferença de potencial for suficiente para vencer a barreira da camada de depleção, o diodo irá entrar em condução, permitindo a livre passagem da corrente elétrica. Essa configuração de pólo positivo no lado P e negativo no lado N é chamada polarização direta. Vale a pena lembrar que  nos diodos de silício essa barreira corresponde a 0,7V. Nos diodos de germânio corresponde a 0,3V.

Agora imagine o que aconteceria se invertêssemos o diodo, ou seja, colocaremos agora o pólo positivo no lado N e o pólo negativo no lado P. Com isso as lacunas seriam atraídas pelo potencial negativo enquanto os elétrons seriam atraídos pelo potencial positivo. Dessa forma os portadores de carga (lacunas e elétrons) se afastariam da região central, aumentando assim a camada de depleção. Nessa configuração, chamada de polarização inversa, o diodo não conduz; ele entra em bloqueio, se comportando como uma chave aberta.

Podemos visualizar a ação do diodo através do gráfico acima, chamado de curva característica. Partindo de uma tensão nula (zero volts), vamos analisar o comportamento do componente. Conforme aumentamos positivamente a tensão, o diodo passa a conduzir pequenas correntes elétricas. Porém, quando atingimos a tensão exigida para transpor a camada de depleção (em geral 0,7V) o diodo passa a conduzir intensamente, mantendo para si 0,7V da tensão da fonte. Basicamente, para tensões acima daqueles 0,7V ele se comporta como um curto circuito.

Mas se aumentarmos negativamente a tensão, o diodo conduz apenas uma ínfima quantidade de corrente, que é chamada de corrente de fuga. Essa corrente é composta por uma corrente de fuga de superfície e também por uma corrente de saturação reversa. Prometo fazer um post a parte sobre elas, mas não se preocupe: na maioria das aplicações elas são desprezadas e considera-se o diodo reversamente polarizado como uma chave aberta, ou seja, que não conduz corrente alguma.

Porém, se a tensão reversa (a tensão "negativa") aumentar demais, ela irá acabar "rompendo" a camada de depleção. O valor dessa tensão limite é chamada tensão de ruptura do diodo. Quando ela é atingida ela provoca um efeito chamado "efeito de avalanche" e a partir desse ponto o diodo conduz intensamente mesmo estando reversamente polarizado. O valor da tensão de ruptura varia de diodo para diodo e, para conhecê-lo é necessário consultar o datasheet do componente. Vale também falar que existe um diodo especial feito para operar naquela "zona de ruptura", que é o chamado diodo zener. Ele é especialmente dopado para suportar correntes reversas sem se danificar, e com certeza o abordaremos futuramente.

Quanto a simbologia, o diodo é bastante simples! O diodo é representado conforme a figura abaixo. Há duas regiões, que são o anodo (e corresponde ao material tipo P) e o katodo (também chamado catodo, que corresponde a região tipo N). A condução, quando diretamente polarizado, se dá no sentido da seta do símbolo. No outro sentido, o diodo entra em bloqueio. Então, para conduzir, deve-se polarizá-lo com positivo no anodo e negativo no katodo.

E, essencialmente, era isso. Toda essa postagem pode ser resumida da seguinte maneira: O diodo é um componente que, para um lado conduz, e para o outro não! Mas se eu falasse só isso não teria graça, não concordam? Neste post abordamos o básico, arranhando de leve a superfície de um mundo novo que são os semicondutores. E as postagens seguintes certamente serão interessantes para o pessoal que gosta de eletrônica. Abraço e até a próxima...