Diodos e Semicondutores: Princípios e Aplicações

DIODOS E APLICAÇÕES Os diodos são componentes eletrônicos que permitem a passagem de corrente elétrica em apenas uma direção Eles são amplamente utilizados em circuitos eletrônicos para retificar regular e controlar o fluxo de corrente elétrica O diodo é um dispositivo semicondutor Semicondutores Os semicondutores são materiais que possuem a propriedade de se comportarem como condutores ou isolantes elétricos dependendo das condições em que se encontram como temperatura pressão radiação e campos magnéticos Ao contrário dos condutores que sempre permitem a passagem de corrente elétrica e dos isolantes que dificultam a passagem da corrente elétrica os semicondutores têm a capacidade de permitir ou não a passagem da corrente elétrica a depender da forma como este material é utilizado Entre os semicondutores mais utilizados na indústria eletrônica e de informática destacase o silício por ser abundante na natureza e por ter um comportamento mais adequado do que outros materiais quando submetido a condições específicas Os semicondutores são sólidos capazes de mudar sua condição de isolante para condutores com grande facilidade Isso se deve ao fato de que os semicondutores possuem uma banda proibida intermediária A banda proibida é a região localizada entre as bandas de valência ou camada de valência do átomo e a banda de condução região onde sob ação de um campo elétrico se forma a corrente elétrica Quando os elétrons recebem certa quantidade de energia eles se tornam livres e saem da camada de valência para a camada de condução Na figura 1 está representado o esquema das camadas nos condutores isolantes e semicondutores Figura 1 Esquema de camadas nos materiais condutores semicondutores e isolantes Fonte Adaptado de CAVALCANTE 2019 Os semicondutores são classificados em dois tipos a depender do nível de pureza do material Material intrínseco são puros pois sua estrutura molecular é formada por um único tipo de átomo tais como o silício germânio estanho selênio ou telúrio Material extrínseco são aqueles aos quais são adicionadas impurezas em um processo conhecido como dopagem cujo objetivo é aumentar a condutividade dos materiais Ao dopar um semicondutor intrínseco com impurezas é possível obter dois tipos de semicondutores extrínsecos tipo P ou tipo N O processo de inserção de impurezas para criação de um material extrínseco é chamado de dopagem A dopagem acontece quando é adicionada alguma impureza outro material propositalmente ao silício Com esse processo é possível controlar os portadores de carga e modificar as propriedades condutoras do material Ao dopar o semicondutor se obtém dois tipos tipo P e tipo N Material tipo N Ao fazer a dopagem com um novo material sobram elétrons livres o que se caracteriza por possuir carga negativa denominando a dopagem como tipo N e criando material do tipo N Material tipo P Ao fazer a dopagem com um novo material sobram lacunas sem conexão ausência de elétrons o que se caracteriza por possuir carga positiva denominando a dopagem como tipo P e criando material do tipo P Quando materiais do tipo P e tipo N são associados formase as junções PN Junção PN Ao se conectar um material do tipo P com um material do tipo N formase o que se conhece como junção PN Uma representação do que ocorre com os materiais e com os portadores de carga positivos e negativos está apresentada na figura 2 Figura 2 Junção PN de material semicondutor Fonte Adaptado de CORTEZ 2016 O diodo é um dispositivo semicondutor composto por duas camadas de material com diferentes propriedades um material do tipo P e um material do tipo N Portando um diodo é formado por uma junção PN O Diodo O diodo é um dispositivo eletrônico de dois terminais formado por uma junção PN de materiais semicondutores O terminal conectado ao material tipo P é chamado de ânodo e o terminal conectado ao material tipo N é chamado de cátodo A simbologia do diodo bem como a identificação dos seus terminais está apresentada na figura 3 Figura 3 Representação do diodo Fonte Adaptado de CORTEZ 2016 Os diodos a depender da forma como os seus terminais de ânodo e cátodo são conectados podem ou não permitir a passagem da corrente elétrica Quando uma tensão elétrica diferença de potencial é aplicada aos terminais do diodo podem ocorrer duas situações Polarização reversa neste tipo de polarização é conectado o terminal de menor potencial da alimentação ao ânodo e o terminal de maior potencial ao cátodo Com isso temse a camada do tipo P conectada ao terminal negativo e a camada N conectada ao terminal positivo Quando isto ocorre dizse que o diodo está polarizado reversamente e ele bloqueia a passagem da corrente elétrica Polarização direta neste tipo de polarização é conectado o terminal de maior potencial da alimentação ao ânodo e o terminal de menor potencial ao cátodo Com isso temse a camada do tipo P conectada ao terminal positivo e a camada N conectada ao terminal negativo Quando isto ocorre dizse que o diodo está polarizado diretamente e ele permite a passagem da corrente elétrica Existem muitos tipos diferentes de diodos disponíveis no mercado como por exemplo os diodos retificadores diodos de sinal diodos Zener LED e os fotodiodos Cada tipo de diodo é projetado para fins específicos e tem características únicas de desempenho Os diodos têm uma variedade de aplicações na eletrônica Eles são amplamente utilizados como retificadores de sinais em fontes de alimentação para proteger circuitos eletrônicos contra picos de tensão como reguladores de tensão em circuitos eletrônicos entre outras aplicações A aplicação mais comum dos diodos é como retificadores de sinais Diodos Retificadores Circuitos com diodos são muito comuns em eletrônica devido à sua capacidade de controlar a passagem da corrente elétrica Os diodos podem ser usados em diversos tipos de circuitos eletrônicos porém a sua aplicabilidade mais comum está relacionada à conversão de sinais alternados para sinais contínuos de tensão e corrente Neste caso os circuitos que fazem essa conversão de sinais alternados para contínuos são chamados de circuitos retificadores Os circuitos retificadores podem ser de dois tipos retificadores de meia onda e retificadores de onda completa O retificador de meia onda é o mais simples e pode ser construído com a utilização de apenas um diodo e uma fonte de tensão alternada alimentação os quais devem ser conectados à carga O funcionamento do retificador de meia onda pode ser explicado a partir da aplicação da tensão alternada proveniente da fonte aos terminais do diodo que permite a passagem da metade positiva polarização direta do sinal e bloqueia a metade negativa polarização reversa Após a passagem do sinal pelo diodo o sinal medido na carga terá o formato de metade da onda aplicada na entrada somente os valores positivos por este motivo é que o circuito recebo o nome de retificador de meia onda Na Figura 4 está apresentado um esquema de um retificador de meia onda Figura 4 Circuito de um retificador de meia onda Fonte Adaptado de AZEVEDO 2021 O funcionamento do retificador de onda completa se utilizado mesmo princípio porém a sua construção conta com quatro diodos conectados em ponte A partir da aplicação da tensão de entrada alternada dois diodos estão em condução a cada ciclo No ciclo positivo da onda dois diodos da ponte conduzem permitindo a passagem da corrente enquanto os outros dias estão polarizados reversamente No ciclo negativo da onda os diodos que anteriormente estavam estavam em condução passam a estar em bloqueio por estarem reversamente polarizados enquanto que os outros dois diodos estão em condução permitindo a passagem da corrente Com esta configuração obtémse o resultado na saída de um sinal pulsado pois a onda é retificada completamente Para que o sinal de saída se aproxime do sinal contínuo devese incluir um capacitor na saída para funcionar como um filtro e linearizar o sinal de saída Na Figura 5 está apresentado um esquema de um retificador de onda completa Figura 5 Circuito de um retificador de onda completa Fonte Adaptado de AZEVEDO 2021 Diodos Especiais Além dos diodos já citados e utilizados para retificação de sinal existem alguns outros tipos especiais dos quais podem ser citados os mais comuns Diodo Zener O diodo zener é um tipo de diodo que atua como regulador de tensão Ele é projetado para operar em polarização reversa mantendo a tensão entre seus terminais em um valor constante conhecido como tensão zener Caso seja polarizado em sentido direto o diodo zener se comporta como um diodo retificador comum Figura 6 Simbologia e exemplo de diodo zener Fonte Adaptado de MATTEDE 2017 Diodo Emissor de Luz LED O LED é um tipo de diodo que produz luz por meio do fenômeno da eletroluminescência quando uma corrente elétrica é aplicada aos terminais do dispositivo Durante esse processo os elétrons que estavam em um terminal se combinam com lacunas no outro gerando fótons As cores emitidas pelo LED variam de acordo com o material utilizado de modo que diferentes combinações de materiais podem resultar em diferentes cores de LED Os LED comuns costumam ter revestimento de plástico ou resina opaca para gerar uma distribuição difusa de luz enquanto que o LED com alta intensidade de brilho têm encapsulamento transparente e estrutura que direcionam a luz para a frente Figura 7 Simbologia e exemplo de LED Fonte Adaptado de WALLS 2018 Fotodiodo O fotodiodo é um diodo especial que converte a luz em corrente elétrica Quando a luz atinge o material do fotodiodo elétrons são liberados e se movem para a região de carga oposta gerando uma corrente elétrica proporcional à intensidade da luz incidente Os fotodiodos são amplamente utilizados em aplicações de detecção de luz como em fotômetros células solares e em sistemas de comunicação óptica O uso de fotodiodos é essencial em tecnologias como a fibra óptica que permite transmissão de dados em alta velocidade através de cabos ópticos Figura 8 Simbologia e exemplo de fotodiodo Fonte Adaptado de UNIT ELECTONICS 2020 REFERÊNCIAS AZEVEDO WILLY Diodo retificador como funcionam e como utilizar 2021 VFG Engenharia Disponível em httpsvfgengenhariacomdiodoretificadorcomexemplosde uso Acesso em 12 de abril de 2023 BOYLESTAD NASHELSKY L Dispositivos Eletrônicos e Teoria dos Circuitos São Paulo Pearson 2004 CALVALCANTE KLEBER G Semicondutores 2019 Mundo Educação Disponível em httpsmundoeducacaouolcombrfisicasemicondutoreshtm Acesso em 11 de abril de 2023 CORTEZ PROF DANIEL FLORES Física dos Semicondutores 2016 Disponível em httpsslideplayercombrslide10313548 Acesso em 11 de abril de 2023 MATTEDE HENRIQUE Diodo Funcionamento tipos e aplicações 2017 Mundo da Elétrica Disponível em httpswwwmundodaeletricacombrdiodofuncionamentotipos aplicacoes Acesso em 12 de abril de 2023 RAZAVI B Fundamentos de Microeletrônica Rio de Janeiro LTC Grupo Gen 2010 SEDRA A SMITH K Microeletrônica São Paulo Pearson 2007 UNIT ELECTRONICS LEDS 2020 Disponível em httpsuelectronicscomproductoleds 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