RESUMO
Este relatório tem como objetivo compreender o funcionamento de um diodo
semicondutor a partir da literatura já existente e da prática realizada. O diodo
semicondutor é um elemento de circuito que conduz a corrente elétrica em
apenas um sentido, de modo que uma de suas aplicações é auxiliar na
transformação de corrente alternada para corrente contínua. Esta característica
de conduzir corrente em apenas um sentido está relaciona com os materiais
semicondutores utilizados em sua construção. Além disso, os diodos possuem
uma barreira de potencial conforme o material de construção e esta barreira é
rompida conforme a tensão aplicada e a polarização do diodo. A polarização
direta permite romper esta barreira de potencial permitindo a passagem de
corrente elétrica. Já a polarização indireta aumenta está barreira até que atinja
o mesmo valor da ddp da fonte de tensão não conduzindo corrente elétrica. A
curva característica de um diodo permite analisar a partir de que momento o
diodo conduz corrente elétrica. O relatório, portanto, apresenta dados referentes
a polarização como a ddp e a corrente que passa pelo diodo a fim de relacionalas com os demais elementos de circuito.
Palavras-chave: diodo; semicondutores; polarização.
INTRODUÇÃO
Os circuitos elétricos são compostos por diversos componentes que
possuem diferentes funções. Alguns exemplos desses elementos de circuitos
são os resistores, capacitores, fontes de tensão, indutores e diodos. Os
resistores
por exemplo,
impedem
a
passagem
de
corrente
elétrica,
transformando energia elétrica em térmica ou alteram o valor da diferença de
potencial.
Desse modo, esses diferentes elementos podem ser combinados em um
em série ou paralelo para que um circuito apresenta determinada função ou
característica. Além disso, alguns conceitos importantes para se entender em
relação à circuitos elétricos são a corrente elétrica, lei de Ohm e potência. Na
Equação 1 é apresentada, conforme Halliday, Walker e Resnick (2012), a
definição de corrente elétrica, que é a passagem de cargas negativas por
unidade de tempo.
𝑖=
𝑑𝑞
𝑑𝑡
(1)
Além da corrente elétrica, há também a lei de Ohm que define que a
tensão 𝑈 é igual o produto da resistência 𝑅 pela corrente elétrica 𝑖. Sendo assim,
de acordo com Halliday, Walker e Resnick (2012), a lei de Ohm é definida pela
Equação 2.
𝑈 =𝑅∙𝑖
(2)
Por fim, como definido por Halliday, Walker e Resnick (2012), a potência
ou taxa de transferência de energia é dada pela Equação 3.
𝑃 =𝑖∙𝑈
(3)
Além disso, sabe que 𝑈 pode ser dado pela Equação 2. Logo, substituindo
2 em 3, tem-se a Equação 4, que relaciona a resistência de um elemento, como
um resistor, à potência. Neste caso, como observado por Halliday, Walker e
Resnick (2012), a energia potencial elétrica é convertida em energia térmica.
𝑃 = 𝑖2 ∙ 𝑅
(4)
Desse modo, o relatório busca entender o funcionamento de um diodo
semicondutor em um circuito elétrico, buscando suas características na literatura
e nas observações provenientes da prática.
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
Como o foco são os diodos semicondutores é necessário entender como
é o funcionamento de um semicondutor e o que diferente esse dos demais, ou
seja, dos condutores e isolantes. Para compreender o funcionamento de um
semicondutor é preciso recorrer à teoria das bandas.
Sabe-se que um átomo possui seus elétrons localizados em órbitas e que
quanto mais distante essa órbita, maior é a energia do elétron, enquanto elétrons
com órbitas menores possuem uma menor energia. A órbita mais externa,
segundo Marques, Júnior e Cruz (2001), é chamada órbita de valência ou banda
de valência. Esses elétrons na última camada possuem maior energia e menor
força de atração eletroestática, possibilitando assim, serem retirados com maior
facilidade. Como observado por Marques, Júnior e Cruz (2001), não é preciso
fornecer muita energia para que esses elétrons se tornem elétrons livres, de
modo a formar a banda de condução.
Além disso, a energia dos elétrons é quantizada, ou seja, não podem ter
qualquer valor para sua energia. Com isso, entre a banda de valência e a banda
de condução existe a banda proibida. Esta banda pode ser observada na Figura
1.
Figura 1 - Materiais conforme a teoria das v bandas.
FONTE 1: MARQUES, JÚNIOR E CRUZ (2001).
Como pode ser visto, o primeiro material é considerado um isolante, pois
a banda proibida representa uma grande quantidade de energia que deve
receber para sair da banda de valência para banda de condução. Já o segundo
material representa um condutor, em que não é necessária grande quantidade
de energia para a mudança de banda. Por fim, o terceiro material é o
semicondutor que ainda precisa receber certa energia para salta de banda, no
entanto menor que o material isolante.
Os diodos, portanto, são construídos a partir de semicondutores. Estes
semicondutores sendo de dois tipos: N ou P. Conforme Marques, Júnior e Cruz
(2001), a diferença entre o tipo N e P está nas impurezas que são adicionadas
ao silício, podendo a solução apresentar mais elétrons livres ou menos. Dessa
forma, o diodo é a junção dos semicondutores do tipo P e N e possui sua
estrutura conforme a Figura 3, onde o semicondutor do tipo P apresenta
polaridade positiva e tipo N polaridade negativa.
Figura 2 - Representação diodo semicondutor.
FONTE: https://flaviobabos.com.br/diodo/
Realizada a junção dos semicondutores N e P, os elétrons livres do
semicondutor do tipo N são atraídos pelas cargas positivas tentando atingir um
equilíbrio eletrônico. De acordo com Marques, Júnior e Cruz (2001), esta região
é chamada de camada de depleção e cria-se uma diferença de potencial
nomeada de barreira de potencial. Está barreira de potencial para o silício tem o
valor próximo de 0,7 V e para o germânio é próximo de 0,3 V.
Figura 3 - Junção PN.
FONTE: https://www.mundodaeletrica.com.br/o-que-e-diodo-semicondutor-ecomo-funciona/
Por fim, será tratado sobre a polarização do diodo. Como enunciado por
Marques, Júnior e Cruz (2001), a polarização direta consiste em conectar o diodo
em uma fonte de tensão, em que o terminal positivo da fonte seja ligado ao
terminal positivo do diodo e o mesmo seja feito com os terminais negativos.
Como a diferença de potencial da fonte provoca o movimento dos elétrons, esses
elétrons repelem os elétrons no terminal do diodo rompendo a barreira de
potencial e sendo atraídos pelas cargas positivas do semicondutor P.
Por outro lado, a polarização indireta é quando o terminal positivo da fonte
é conectado no lado N e o terminal negativo no lado P. Segundo Marques, Júnior
e Cruz (2001), as cargas negativas do lado N são atraídas pelo terminal positivo
e as cagas positivas pelo lado negativo, de modo que a barreira de potencial seja
aumentada até que a ddp se iguale à ddp da fonte e não permitindo a
movimentação dos elétrons. Desse modo, pode-se notar que os diodos
semicondutores para conduzir corrente elétrica precisam ser polarizados
diretamente.
Uma das aplicações dos diodos semicondutores é auxiliar na conversão
de corrente alternada para corrente contínua. Estes diodos também são
conhecidos como diodos retificadores e aliados com outros elementos de
circuitos como resistores e capacitores permitem a conversão de corrente. Na
Figura 4 é observado o retificador de meia onda.
Figura 4 - Forma de onda diodo retificador meia onda.
FONTE 2: MARQUES, JÚNIOR E CRUZ (2001).
HALLIDAY, D.; WALKER, J.; RESNICK R. Fundamentos de Física:
Eletromagnetismo. 9. ed., Rio de Janeiro: LTC, 2012.
MARQUES, A. E. B.; JÚNIOR, S. C.; CRUZ, E. C. A. Dispositivos
semicondutores: diodos e transistores. 6. ed. São Paulo: Érica, 2001.