Para entender os princípios operacionais de um diodo, antes é preciso entender a teoria dos semicondutores.
Assim, vamos apresentar uma breve descrição da estrutura dos materiais semicondutores e da atividade eletrônica dentro de um diodo.
Os semicondutores também são conhecidos como dispositivos de estado sólido, pois são sólidos e não contêm partes soltas ou móveis.
Os principais materiais semicondutores usados em retificadores são o silício e o germânio.
Um elemento semicondutor tem quatro elétrons na órbita externa de cada átomo.
O silício tem um total de 14 elétrons em cada átomo, 4 dos quais estão na camada externa.
Os átomos de germânio têm 32 elétrons, com 4 na camada externa.
No estado puro, nenhum desses materiais conduz uma corrente elétrica facilmente.
Isso ocorre porque os átomos formam ligações de valência fortes, com os elétrons na camada externa de cada átomo se pareando com os elétrons nos átomos adjacentes.
É o que vemos na Figura.
A ilustração é um conceito bidimensional do retículo cristalino do germânio.
Na verdade, os elétrons estão em camadas esféricas, não em anéis, e eles giram em torno dos núcleos dos átomos.
Contudo, eles ainda formam ligações de energia nas camadas externas e não são fáceis de mover de um átomo para o outro.
A única maneira disso acontecer é com a aplicação de uma tensão altíssima em todo o material, rompendo as ligações de valência.
Poderíamos afirmar que o germânio e o silício puros não têm elétrons livres que possam servir de portadores de corrente.
Para tornar o germânio ou o silício capaz de transportar uma corrente, é adicionada uma pequena quantidade de outro elemento (impureza).
É a chamado dopagem.
O elemento antimônio, com símbolo químico Sb, tem cinco elétrons na camada externa de cada átomo.
Quando esse material é adicionado ao germânio, o germânio se torna condutor.
O motivo para isso é que o quinto elétron do átomo Sb não pode se ligar com os elétrons do germânio e fica livre no material.
É o que vemos na Figura.
Lembre-se que os átomos de germânio têm quatro elétrons na camada externa da cada átomo; assim, apenas quatro dos elétrons do Sb podem se parear nas ligações de valência.
Quando o germânio é tratado com antimônio, o material resultante é chamado de germânio tipo n, pois contém elétrons adicionais, que representam cargas negativas.
Contudo, é preciso lembrar que o material ainda é eletricamente neutro, pois o número total de elétrons no material é equilibrado pelo mesmo número de prótons.
O átomo de Sb tem 51 prótons e sua carga positiva compensa a carga negativa dos 51 elétrons de cada átomo.
Um dos 51 elétrons é forçado para fora da camada externa do átomo de Sb, tornando-se um elétron libre.
O Sb é chamado de doador, pois doa elétrons para o material.
Quando o elemento índio (In) é adicionado ao germânio, são deixados espaços vazios nas ligações de valência, pois os átomos de índio têm apenas três elétrons na camada externa.
Os espaços vazios são chamados de lacunas.
As lacunas podem ser preenchidas por elétrons que se desprendem das ligações de valência.
Quando isso ocorre, surge outra lacuna onde antes estava situado um elétron.
Assim, as lacunas aparecem por todo o material.
A lacuna representa uma carga líquida positiva, pois uma condição equilibrada exige que um par de elétrons ocupe cada ligação.
Quando um dos elétrons está ausente, a ligação não tem a carga negativa normal; assim, ela é positiva e atrai elétrons.
A Figura seguinte mostra uma ilustração do germânio tipo p.
As lacunas estão adjacentes aos átomos de índio.
O índio adicionado ao germânio é chamado de aceitador porque aceita elétrons de outros átomos.
O material tipo n de um retificador é chamado de cátodo; o material tipo p é o ânodo.
O cátodo é o emissor de elétrons, ou conexão negativa.
O ânodo é o receptor de elétrons, ou conexão positiva.
Essas polaridades precisam ser observadas para que o diodo conduza eletricidade.
Quando um pedaço de germânio tipo n forma uma junção com um pedaço de germânio tipo p, ocorre um fenômeno interessante.
Como há lacunas (cargas positivas) no germânio tipo p e elétrons (cargas negativas) no germânio tipo n, há uma deriva das lacunas e elétrons em direção à junção.
As lacunas são atraídas pela carga negativa dos elétrons no material tipo n, enquanto os elétrons são atraídos pela carga positiva das lacunas no material tipo p.
Alguns dos elétrons se difundem através da junção para preencher as lacunas no lado positivo.
Esse movimento das cargas deixa um grande número de íons negativos no material tipo p mais distante da junção e um grande número de íons positivos no material tipo n mais distante da junção.
Lembre-se que o material é eletricamente neutro, como um todo, antes da junção ser criada, pois o número de elétrons é compensado pelo número de prótons.
O material como um todo ainda é eletricamente neutro após a junção ser realizada, mas algumas porções têm cargas negativas e outras têm cargas positivas.
Os íons estacionários em cada lado da junção fornecem cargas que interrompem o movimento dos elétrons através da junção.
Essas cargas resultam em uma barreira de potencial com tensão de aproximadamente 0,3 para o germânio e 0,6 para o silício.
A Figura ilustra a condição que existe quando é realizada uma junção de dois tipos diferentes de germânio.
Observe que as lacunas se movem em direção à junção a partir do material tipo p e que os elétrons se movem em direção à junção a partir do material tipo n até as cargas estarem equilibradas.
As discussões anteriores se concentraram nos semicondutores de germânio; a mesma teoria também se aplica aos semicondutores de silício.
Quando o arsênico é adicionado ao silício, o material possui um excesso de elétrons e se torna negativo.
Quando o alumínio é adicionado ao silício, o material possui elétrons de menos e se torna positivo.
Um uso comum dos semicondutores é a criação de diodos.
Um diodo pode ser considerado uma porta unidirecional para elétrons; ou seja, os elétrons podem fluir através do diodo em uma direção, mas não na outra.
Assim, o diodo pode ser usado para prevenir o fluxo de corrente caso a polaridade da tensão seja aplicada incorretamente ao diodo e permitir o fluxo caso a polaridade esteja correta.
A Figura abaixo mostra um exemplo dessa situação.
Nela, vemos que quando a bateria é conectada com a polaridade de uma maneira, o diodo conduz a corrente; se a polaridade é revertida, o diodo não conduz.
Obviamente, esse circuito simplificado não contém carga elétrica e não realiza nenhuma função prática, sendo apresentado apenas para fins de explicação; os diodos sempre são usados com conjunto com outros elementos de circuito.
Na Figura a, a bateria é conectada de forma que seu terminal negativo seja unido ao lado n do diodo.
Dessa maneira, os elétrons que fluem do lado negativo da bateria neutralizam o efeito dos íons positivos, que sem eles afetariam o fluxo de corrente.
Isso possibilita que os elétrons fluam através da barreira (junção) para ocupar as lacunas e fluam em direção ao terminal positivo da bateria.
Assim, o diodo é um bom condutor em uma direção, ou seja, de n para p.
Em seu modo condutor, diz-se que o diodo tem polarização direta.
Na Figura b, observamos a condição na qual a bateria é conectada na direção contrária, chamada de polarização inversa.
Aqui, o terminal positivo da bateria é conectado ao lado n do diodo.
Os elétrons livres são atraídos em direção à carga positiva até o potencial se equilibrar.
As lacunas no lado p do diodo se movem em direção à carga negativa para que não haja movimento de elétrons através da junção.
Sob essa condição, não flui corrente alguma.
A maioria dos diodos usados nos equipamentos modernos são diodos de junção de silício.
O nome vem da conexão física (ou junção) entre os materiais N e P do diodo.
A junção também é chamada de região de depleção devido à ausência de elétrons ou lacunas nessa área do diodo.
Os terminais do diodo são ligados a cada uma dessas regiões.
A fronteira entre as duas regiões, chamada de junção p-n, é onde ocorre a ação do diodo.
Existem diversos tipos de diodo de junção, cada um dos quais com seu próprio tamanho ou formato e diferentes tipos de conexões elétricas.
O diodo também pode ser um de muitos diodos especializados (ver Figura).
Os diodos de potência (aqueles usados para controlar fluxos de corrente relativamente altos) normalmente são componentes individuais montados sobre uma placa de circuito ou dissipador de calor para ajudar na função de dissipação de calor, como visto na Figura.
Os diodos projetados para transportar fluxos de corrente muito baixos se tornaram extremamente pequenos e normalmente são formados em circuitos integrados junto com resistores, transistores e outros componentes miniaturizados.
Os dispositivos de computação moderna utilizam literalmente milhares de diodos em um ou mais circuitos integrados.
Alguns diodos comuns encontrados em sistemas eletrônicos modernos incluem:
1 – Diodos emissores de luz
Um LED normalmente é formado com um semicondutor, como o arsenieto de gálio.
O material emite fótons quando a corrente flui através da junção.
Dependendo do material, podem ser produzidos comprimentos de onda (ou cores) que vão de infravermelho a quase ultravioleta.
A tensão com polarização direta desses diodos depende do comprimento de onda dos fótons emitidos: 2,1 V corresponde a vermelho, 4,0 V a violeta.
Os primeiros LEDs eram vermelhos e amarelos, mas com o passar do tempo foram desenvolvidos diodos com frequências maiores.
Todos os LEDs produzem luz incoerente de espectro estreito; os LEDs “brancos” são combinações de três LEDs de cores diferentes, ou um LED azul com uma cobertura amarela.
Devido a seu baixo consumo de potência e longo ciclo de vida, os LEDs estão se tornando mais comuns na iluminação das aeronaves modernas e nos displays de tela plana usados para instrumentação.
2 – Diodos a laser
Quando uma estrutura semelhante a um LED é contida em uma cavidade ressonante formada pelo polimento de laterais paralelas, é possível formar um laser.
Os diodos a laser são bastante usados em dispositivos de armazenamento por meios óticos e para comunicação ótica de alta velocidade.
A caneta laser é um exemplo de dispositivo comum que utiliza um diodo a laser.
3 – Fotodiodos
Os fotodiodos são projetado para detectar a luz (fotodetecção).
O material semicondutor usado para criar a junção p-n de um fotodiodo deve ser sensível à luz e os diodos devem estar contidos em um material que permite a passagem da luz, como um plástico transparente.
Quando a luz atinge o material semicondutor, o diodo produz uma tensão CC.
Os fotodiodos são comuns em células solares, sensores de luz e dispositivos de conexão ótica que normalmente empregam cabos de fibra ótica.
4 – Diodos térmicos
O termo é usado para diodos sensíveis ao calor (monitoramento de temperatura) e para diodos do tipo bomba de calor, usados para aquecimento e arrefecimento termelétrico.
Os diodos de bomba de calor são compostos de dois materiais semicondutores, mas não têm nenhuma junção retificadora.
Atualmente, o uso dos diodos de bomba de calor é limitado, mas eles têm um potencial enorme de se tornarem uma maneira muito eficiente de transportar calor para fins de aquecimento e arrefecimento.
5 – Diodos Schottky
Os diodos Schottky têm uma queda de tensão direta mais baixa do que os diodos de junção p-n, o que faz com que o material semicondutor opere (mude do modo condutor para o não condutor) em altíssimas velocidades.
Devido a suas altas velocidades de comutação, os diodos de Schottky são utilizados em circuitos de alta velocidade e dispositivos de radiofrequência (RF), como suprimentos de energia de modo comutado, misturadores e detectores.
6 – Diodos zener
Esses diodos podem conduzir no modo de polarização inversa.
Esse efeito, chamado de ruptura zener, ocorre em uma tensão precisamente definida. Isso permite que o diodo seja usado como referência de tensão de precisão.
O diodo zener se tornou uma peça central em praticamente todos os circuitos de controle de tensão modernos ou reguladores de tensão de estado sólido.
Os diodos listados estão entre os tipos mais comuns desse dispositivo, mas diversos outros diodos especializados estão disponíveis ou em desenvolvimento.
Com o amadurecimento da indústria aeroespacial, é óbvio que o uso de componentes de estado sólido irá aumentar e os engenheiros continuarão a encontrar novas utilidades para os diodos.
Uma consideração importante na instalação dos diodos de potência é garantir que o diodo está preso firmemente ao suporte, que atua como dissipador de calor.
Os diodos que transportam correntes significativas se superaquecem e são danificados ou destruídos a menos que o calor desenvolvido seja eliminado pela estrutura de suporte.
Muitos diodos de potência dissipam o calor através de aletas de resfriamento.
Diodos de grande porte são construídos com bases metálicas pesadas para serem presos firmemente a uma estrutura de metal pesadas o suficiente para atuarem como dissipadores de calor.
Antes do diodo ser instalado, sua base deve ser inspecionada para garantir a limpeza e suavidade da peça, e o suporte sobre o qual será instalado deve passar por uma inspeção semelhante.
Isso garante que haverá contato máximo entre os metais da base do diodo e do suporte.
Em alguns casos, utiliza-se um gel condutor de calor entre a base do diodo e o suporte para preencher possíveis lacunas causadas por irregularidades nas superfícies a serem unidas.
Isso maximiza a condutância de calor do diodo para o suporte.
Os dissipadores de calor também podem ser utilizados para outros dispositivos de estado sólido que geram grandes quantidades de calor.
Muitas vezes, são utilizadas ventoinhas de arrefecimento em conjunto com os dissipadores de calor para ajudar a dissipar o calor do componente.
A Figura ilustra um exemplo típico de conjunto de transistores e dissipador de calor.
Teste de diodos.
Um diodo é uma porta unidirecional para elétrons; logo, ele pode ser testado pela aplicação de uma tensão ao diodo e a medição do fluxo de corrente.
A seguir, a polaridade da tensão é revertida e a corrente é medida mais uma vez.
Um ohmímetro pode ser utilizado como fonte de energia para esse teste.
Um multímetro digital comum é projetado para realizar esse teste usando a função de teste de diodos do medidor.
Como mostrado na Figura em baixo, o técnico deve seguir os passos abaixo para testar um diodo:
1 – Configurar a chave de seleção do medidor para a função de teste de diodos.
2 – Conectar o diodo às pontas de teste vermelha e preta do medidor.
3 – Ler a indicação na tela do medidor.
4 – Reverter a polaridade das conexões do medidor (reverter as pontas vermelha e preta do medidor conectadas ao diodo).
5 – Ler a indicação na tela do medidor.
Durante esse teste, a bateria interna do multímetro aplica uma tensão ao diodo.
Se as pontas do medidor são conectadas ao diodo na condição de polarização direta, o diodo conduz corrente.
Quando as pontas do medidor são invertidas, o diodo não conduz.
O medidor indica a operação apropriada de um diodo mostrando a queda de tensão no diodo com polarização direta, mas sem queda de tensão no diodo com polarização inversa.
Assim, um diodo de silício que está operando corretamente indicará uma queda de cerca de 0,6 a 0,7 V quando o diodo tiver polarização direta.
Esse mesmo diodo deve indicar uma queda de 0,0 V no modo de polarização inversa para ser considerado um diodo funcional.
Lembre-se que os medidores podem ter indicações ligeiramente diferentes.
Uma diferença comum é que o display é indicado em milivolts, não em volts, então um diodo de silício de polarização direta funcionando corretamente deve mostrar de 600 a 700 mV.
Lembre-se também que nem todos os diodos têm a mesma queda de tensão.
Um diodo de germânio terá uma queda de tensão de aproximadamente 0,3 V em polarização direta.
Os diodos especializados podem ter outros valores de tensão em polarização direta, então lembre-se de sempre consultar as especificações do diodo sendo testado.