Diodo de Junção PN: Símbolo, Características e Mais
O diodo de junção PN é a forma mais básica de dispositivo semicondutor e sua tecnologia forma a base de muitos outros dispositivos semicondutores.
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Tutorial de Diodo Inclui:
Tipos de diodos | Especificações e classificações de diodos | Diodo de junção PN | LED | Diodo PIN | Diodo de barreira Schottky | Diodo SiC | Célula solar / diodo fotovoltaico | Varactor / varicap | Diodo Zener
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Depois dos resistores e capacitores, um dos componentes eletrônicos mais utilizados é o diodo de junção PN. Eles são usados em muitos projetos de circuitos eletrônicos diferentes de várias maneiras diferentes.
O diodo de junção PN é o formato básico de diodo semicondutor. Ele é usado para muitas formas de retificação para níveis de corrente grandes e pequenos, bem como níveis de alta e baixa tensão, e esse dispositivo semicondutor encontra muitos usos em todos os tipos de projetos de circuitos eletrônicos.
A junção PN tem a propriedade muito útil de que os elétrons só são capazes de fluir em uma direção. Como a corrente consiste em um fluxo de elétrons, isso significa que a corrente pode fluir apenas em uma direção através da estrutura, mas é impedida de fluir na outra direção através da junção.
Os diodos de junção PN podem ser obtidos em vários materiais semicondutores – os primeiros diodos tendiam a ser feitos de germânio, mas a maioria deles hoje são diodos de silício.
O diodo é simples em seu conceito básico, sendo formado a partir da junção de materiais do tipo N e do tipo P, embora na realidade a fabricação e a teoria de funcionamento sejam mais complexas.
Símbolo e polaridade do circuito de diodo
Como qualquer diodo, o diodo de junção PN possui duas conexões ou eletrodos. Isso lhe dá o nome: “di-” significando dois e “-ode” como uma abreviação de eletrodo.
Um eletrodo do dispositivo semicondutor é denominado ânodo e o outro é denominado cátodo. Para que uma corrente flua através da junção do diodo PN, ela deve ser polarizada diretamente. Nessas condições, a corrente convencional flui do ânodo para o cátodo, mas não o contrário.
É fácil determinar a polaridade de muitos diodos com fio. A “barra” no símbolo do circuito corresponde ao cátodo do diodo e isso geralmente é marcado por uma linha branca ao redor da circunferência do diodo real. A orientação para diodos SMD é menos óbvia e normalmente é determinada como resultado do fato de que os diodos estão contidos em um pacote semelhante aos transistores com três terminais – apenas dois são usados para os diodos SMD, mas eles só podem ser orientados em uma direção.
Quando um diodo de junção PN é polarizado diretamente, o ânodo é positivo em relação ao cátodo e, inversamente, quando polarizado inversamente, o cátodo é positivo em relação ao ânodo.
Isso significa que quando um diodo é usado em um circuito como um retificador, o cátodo fornece a saída positiva – o ânodo ainda permanece mais positivo, conforme mostrado no circuito abaixo.
polaridade no diodo é para polarização direta/condição de condução
Este circuito mostra como o ânodo do diodo é positivo em relação ao cátodo e o cátodo está conectado à saída que é positiva com ressec à linha de zero volt. Desta forma, as polaridades de tensão ao redor do circuito são mantidas.
Desenvolvimento do diodo de junção PN
A junção PN é uma das estruturas mais importantes no cenário eletrônico atual. Ele forma a base da maior parte da tecnologia de semicondutores atual e foi o primeiro dispositivo semicondutor a ser usado.
O primeiro diodo semicondutor a ser usado foi o detector sem fio Cat’s Whisker usado nos primeiros conjuntos sem fio. Consistia em um fio colocado em um material que era efetivamente um semicondutor. O ponto onde o fio encontra o semicondutor forma uma pequena junção PN e esta detecta os sinais de rádio. Na verdade, era uma forma de diodo Schottky, mas, no entanto, a forma mais antiga de junção PN e dispositivo semicondutor.
O diodo ou junção PN foi a primeira forma de dispositivo semicondutor a ser investigada no início dos anos 1940, quando a primeira pesquisa real foi realizada na tecnologia de semicondutores. Verificou-se que pequenos diodos de contato pontual eram capazes de retificar algumas das frequências de micro-ondas usadas nos primeiros sistemas de radar e, como resultado, logo encontraram muitos usos.
Hoje, a junção PN passou por uma quantidade significativa de desenvolvimento. Muitas variedades de diodo estão em uso em uma variedade de aplicações. Além disso, a junção PN forma a base de grande parte da tecnologia de semicondutores atual, onde é usada em transistores, FETs e muitos tipos de circuito integrado.
A junção PN é encontrada em muitos dispositivos semicondutores atualmente, incluindo diodos semicondutores, transistor bipolar, FETs de junção, MOSFETs, diac, tiristor e triac – ela forma a base de uma grande quantidade da tecnologia de semicondutores atual.
Nota sobre a invenção do diodo de junção PN:
O diodo de junção PN foi inventado quase por acaso, quando Russel Ohl, trabalhando nos Bell Labs nos EUA, notou algumas peculiaridades em uma amostra de silício com uma rachadura em sua estrutura.
Leia mais sobre a invenção do diodo de junção PN.
Junção PN
Uma junção PN é normalmente feita de uma única peça de semicondutor que possui duas áreas diferentes: uma é feita para ser do tipo P e a outra do tipo N.
Consequentemente, as diferentes áreas do semicondutor têm propriedades diferentes. O semicondutor do tipo N tem excesso de elétrons, enquanto o tipo P tem excesso de lacunas.
O diodo pode ser pensado como consistindo em duas áreas sendo colocadas em contato íntimo uma com a outra.
Quando isso ocorre, os furos se difundem na área do tipo N e um processo semelhante ocorre para o material do tipo P.
Quando ocorre essa difusão, o fluxo de cargas cria um campo elétrico que começa a impedir o fluxo de carga adicional e, em pouco tempo, o estado de equilíbrio é alcançado e não ocorre mais fluxo de carga.
Onde as duas áreas se encontram e em equilíbrio não há lacunas ou elétrons livres. Isso significa que não há carregadores de carga disponíveis nesta região. Tendo em vista que esta área é desprovida de portadores de carga, ela é conhecida como região de depleção.
A região de depleção é muito fina – geralmente apenas alguns milésimos de milímetro – mas isso é suficiente para evitar que a corrente flua da maneira normal. No entanto, descobriu-se que diferentes efeitos são percebidos dependendo da maneira como a tensão é aplicada à junção.
- Fluxo de Corrente – Se a tensão for aplicada de forma que a área do tipo P se torne positiva e a do tipo N se torne negativa, os buracos são atraídos para a tensão negativa e são auxiliados a saltar através da camada de depleção.Da mesma forma, os elétrons se movem em direção à tensão positiva e saltam a camada de depleção. Mesmo que os buracos e os elétrons estejam se movendo em direções opostas, eles carregam cargas opostas e, como resultado, representam um fluxo de corrente na mesma direção.
- Sem fluxo de corrente – Se a tensão for aplicada à junção PN no sentido oposto, nenhuma corrente flui. A razão para isso é que os buracos são atraídos para o potencial negativo que é aplicado à região do tipo P.Da mesma forma, os elétrons são atraídos para o potencial positivo que é aplicado à região do tipo N. Em outras palavras, os buracos e elétrons são atraídos para longe da própria junção e a região de depleção aumenta em largura. Consequentemente, nenhuma corrente flui através da junção PN.
Características da junção PN
Embora a junção PN forneça uma excelente ação de retificação, não é um diodo perfeito com resistência infinita na direção reversa e resistência zero na direção direta. Para que a junção PN possa ser utilizada, é necessário conhecer um pouco sobre suas propriedades e características com polarização direta e reversa.
Observando o gráfico característico da junção PN, pode-se ver que na direção direta (polarização direta) pode-se ver que muito pouca corrente flui até que uma certa tensão seja atingida. Isso representa o trabalho necessário para permitir que os portadores de carga atravessem a camada de depleção. Essa tensão varia de um tipo de semicondutor para outro. Para o germânio é cerca de 0,2 ou 0,3 volts e para o silício é cerca de 0,6 volts.
É possível medir uma tensão de cerca de 0,6 volts na maioria dos pequenos diodos de corrente quando eles são polarizados diretamente, pois a maioria desses componentes eletrônicos é de silício. Um pequeno número mostrará uma voltagem mais baixa e provavelmente será germânio. Os diodos retificadores de potência normalmente têm uma tensão maior entre eles, mas isso se deve em parte ao fato de haver alguma resistência no silício e em parte ao fato de que correntes mais altas estão fluindo e eles estão operando mais acima na curva.
Na direção inversa, um diodo perfeito não permitiria a passagem de corrente. Na realidade, uma pequena quantidade de corrente flui, embora seja provável que seja muito pequena e na região de pico amperes ou microamperes. Foi exagerado no diagrama para que possa ser visto. Embora normalmente seja muito baixo, o desempenho de qualquer diodo se degradará em temperaturas mais altas e também descobriu-se que o germânio não é tão bom quanto o silício.
Essa corrente reversa resulta dos chamados portadores minoritários. Estes são um número muito pequeno de elétrons encontrados em uma região do tipo P ou buracos em uma região do tipo N. Os primeiros semicondutores têm níveis relativamente altos de portadores minoritários, mas agora que a fabricação de materiais semicondutores é muito melhor, o número de portadores minoritários é muito reduzido, assim como os níveis de correntes reversas.
A junção PN de diodo básica é usada em muitos componentes eletrônicos em toda a indústria eletrônica hoje: em muitos novos projetos de circuitos eletrônicos gerais, projetos de RF e muitas outras áreas.
Mesmo em sua forma básica como um diodo, esse componente eletrônico é usado em quantidades enormes, mas, além disso, a junção PN forma a base da maioria dos transistores de alta tecnologia, circuitos integrados e outros dispositivos semicondutores atuais. Sem a junção PN, a vida hoje seria muito diferente e a eletrônica seria um cenário muito diferente.
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