MATERIAIS SEMICONDUTORES

Diodo Semicondutor

Alguns materiais apresentam propriedades de condução elétrica intermediárias entre aquelas inerentes aos isolantes e aos condutores. Tais materiais são denominados de semicondutores.

Os materiais semicondutores mais simples são constituídos de átomos de um único elemento químico com quatro elétrons na camada de valência. Átomos exibindo esta configuração eletrônica são denominados de átomos tetravalentes.

A Fig.1 ilustra a configuração dos átomos tetravalentes de germânio (Ge) e silício (Si) que dão origem a materiais semicondutores

A Fig.2 mostra uma representação planar do arranjo de átomos tetravalentes em uma rede cristalina, onde cada átomo forma quatro ligações

A dopagem é um processo químico no qual átomos estranhos são introduzidos na estrutura cristalina de uma substância.

Quando o processo de dopagem introduz na estrutura cristalina do semicondutor uma quantidade de átomos contendo excesso de um elétron de valência relativamente ao número de elétrons da camada mais externa de cada átomo do cristal, forma-se um semicondutor tipo n.

Quando os átomos introduzidos na estrutura cristalina do semicondutor exibem deficiência de um elétron de valência relativamente ao número de elétrons da camada mais externa de cada átomo do cristal, forma-se um semicondutor tipo p.

Com respeito à ligação com o quarto átomo de silício, verifica-se a ausência do segundo elétron que comporia o par necessário à formação daquela ligação com o átomo de índio. Essa ausência de elétron de ligação é denominada de lacuna.

O diodo semicondutor é um componente que pode comportar-se como condutor ou isolante elétrico, dependendo da forma como a tensão é aplicada aos seus terminais. Essa característica permite que o diodo semicondutor possa ser utilizado em diversas aplicações, como, por exemplo, na transformação de corrente alternada em corrente contínua.

Um diodo semicondutor é formado a partir da junção entre um semicondutor tipo p e um semicondutor tipo n, conforme ilustrado na Fig.12. Existem vários processos que permitem a fabricação desse tipo de estrutura e que utilizam técnicas altamente sofisticadas para o controle de crescimento dos cristais semicondutores com os graus de dopagens desejados. A estrutura formada recebe a denominação de junção pn.

Imediatamente após a formação da junção, uma diferença de potencial positiva é gerada entre os lados n e p. Essa barreira de potencial previne a continuação do transporte de portadores através da junção pn não polarizada.

O diodo semicondutor é representado pn em diagramas de circuitos eletrônicos pelo símbolo ilustrado na Fig.15. O terminal da seta representa o material p, denominado de ânodo do diodo, enquanto o terminal da Fig.3 Representação do diodo. Barra representa o material n, denominado de cátodo do diodo.

A identificação dos terminais do componente real pode aparecer na forma de um símbolo impresso sobre o corpo do componente ou alternativamente, o cátodo do diodo pode ser identificado através de um anel impresso na superfície do componente, conforme ilustrado na Fig. 4.

Polarização direta é uma condição que ocorre quando o lado p é submetido a um potencial positivo relativo ao lado n do diodo, conforme ilustrado na Fig. 5
Quando o diodo está polarizado diretamente, conduzindo corrente elétrica sob a condição V > VB, diz-se que o diodo está em condução.

A polarização inversa de um diodo ocorre quando o lado n fica submetido a um potencial positivo relativo ao lado p do componente, como mostrado na Fig. 6.
Quando o diodo está sob polarização inversa, impedindo o fluxo de corrente através de seus terminais, diz-se que o diodo está em bloqueio ou na condição de corte.

Um diodo ideal, polarizado diretamente, deve conduzir corrente elétrica sem apresentar resistência, comportando-se como um interruptor fechado, como ilustrado na figura 7. O interruptor fechado é, portanto, o circuito equivalente para o diodo ideal em condução.

Polarizado inversamente, o diodo semicondutor ideal deve comportar-se como um isolante perfeito, impedindo completamente o fluxo de corrente. Como ilustrado na figura 8 é, portanto, o circuito equivalente para o diodo ideal na condição de corte.

Assim, um modelo mais aprimorado para o circuito equivalente do diodo em condução pode ser obtido pela associação série de um resistor Rc, representativo da resistência direta de condução, com uma fonte de tensão VB correspondente ao valor da barreira de potencial na junção, como mostrado na Fig. 9.

Efeitos associados à temperatura e a absorção de fótons nas proximidades da junção de um diodo, possibilitam a geração de uma pequena quantidade de portadores minoritários, ou mais precisamente, lacunas no lado n e elétrons livres no lado p. Conseqüentemente, sempre existe uma corrente de fuga, quando o diodo é inversamente polarizado, correspondendo à passagem de portadores minoritários através da junção. Essa corrente de fuga é geralmente da ordem de alguns microampères, o que indica que a resistência da junção inversamente polarizada pode chegar a vários megahoms.