Semicondutores - Diodo

Semicondutores - Diodo

    Ouvimos falar muito sobre semicondutores e como são importantes para a tecnologia. Mas o que faz com que os semicondutores seja tão especiais?

    Uma das respostas está no comportamento elétrico deste componente. Na Primeira Lei de Ohm aprendemos que, para obter o valor da resistência de um resistor devemos dividir o valor da tensão elétrica aplicada sobre esse mesmo resistor pela intensidade da corrente elétrica, que atravessa o resistor.
    Semicondutores também são percorridos pela corrente elétrica, mas, diferente do resistor, se invertermos o sentido da corrente elétrica, o semicondutor não será percorrido pela corrente. Além disso, precisa-se de um potencial mínimo para que a corrente atravesse o material semicondutor. Esse comportamento é o que chamamos de comportamento semicondutor, ou seja, o componente conduzirá corrente, mas somente em determinadas condições.
    O comportamento de materiais semicondutores não é uma descoberta recente. Leia abaixo o texto atribuído a Faraday, em 1833:

"I have lately met with an extraordinary case … which is in direct contrast with the influence of heat upon metallic bodies … On applying a lamp … the conducting power rose rapidly with the heat … On removing the lamp and allowing the heat to fall, the effects were reversed."
Tradução: "Recentemente me deparei com um caso extraordinário... que está em contraste direto com a influência do calor sobre corpos metálicos ... Ao aproximar uma lâmpada ... o poder condutor subiu rapidamente com o calor ... Ao remover a lâmpada e permitir que o calor caia, os efeitos foram revertidos"
    

   Faraday observou que, ao contrário do que era esperado, conforme havia verificado em experiências anteriores, o condutor em questão funcionava de forma contrária ao comportamento da maioria dos condutores. Enquanto um condutor comum diminui sua condutividade com o aumento do calor, o fio condutor utilizado na experiência de Faraday apresentou o comportamento contrário, ao ser aquecido pela lâmpada o fio condutor aumentou sua condutividade. Esse comportamento caracterizou a descoberta do comportamento semicondutor.   Em 1833 não era possível vislumbrar uma aplicação para o efeito semicondutor, mas os estudos sobre esse comportamento prosseguiram até 1930, com a publicação do artigo " "The Theory Of Electronic Semi-Conductors" (Tradução livre: A Teoria Eletrônica dos Semicondutores), escrito pelo físico Alan Wilson, da Universidade de Cambridge. Até 1930 os estudos estavam muito avançados na área de semicondutores, mas somente em 1940 surgiu a primeira experiência que mostrava uma aplicação para o comportamento semicondutor.O engenheiro Russel Ohl, trabalhando nos laboratórios da Bell, descobriu que aumentando a pureza do silício melhorava sua propriedade semicondutora, e junto a isso, descobriu que quando um pedaço de silício era exposto à luz, ocorria a passagem de corrente elétrica em suas extremidades, o efeito fotoelétrico estudado por Einstein, que lhe garantiu um prêmio Nobel de Física em 1921. Desde então, a tecnologia eletrônica evoluiu muito, chegando aos componentes semicondutores que temos hoje como diodos, painéis solares, transistores, processadores, entre muitos outros. Existem diodos dos mais variados tipos, para todo tipo de aplicação na eletrônica. Na Figura 1 temos a imagem de alguns modelos de diodos utilizados na eletrônica atual.

Figura 1: Modelos de diodos

Saiba mais:   Um componente semicondutor muito comum, mas muito versátil em suas aplicações, é o diodo. Suas aplicações são diversas, desde fontes de recarga de celulares aos mais sofisticados computadores. Assista o vídeo no link abaixo, e descubra o funcionamento deste componente: https://www.youtube.com/watch?v=rR8WdjZ5tHQ

   Entre os diversos tipos de diodos, temos o LED (light-emitting diode), ou diodo emissor de luz. Ele está presente em muitos aparelhos eletrônicos, com a função de sinalizar visualmente um estado, como por exemplo, indicar que algo está ligado ou desligado. Um LED poder emitir luz em diferentes comprimentos de onda, identificados por cores como vermelho, amarelo, azul, branca, verde, ou por emissão de luz na faixa do infravermelho, invisível ao olho humano. Na Figura 2 temos as cores de alguns LEDs comerciais.

Figura 2:Algumas cores disponíveis de LEDs

   Seu funcionamento consiste em emitir fótons de luz, quando percorrido por uma corrente elétrica. Para que isso ocorra, o material semicondutor do LED passa por um processo chamado dopagem, no qual átomos de outro elemento são inseridos neste semicondutor, com isso causando o desbalanceamento entre as cargas dos átomos do material, adicionando elétrons livres, que chamamos de junção tipo N, ou buracos, que chamamos de junção tipo P (falta de elétrons representadas por cargas positivas "móveis"). Quando unimos as junções tipo P e N, temos então o componente semicondutor diodo. Na Figura 3 podemos observar a representação da configuração da junção tipo pn:

Figura 3  - Junção p e junção n (acima) símbolo de diodo (abaixo)

   A seta da figura representa o sentido da corrente elétrica, ou seja, a corrente segue da junção P para a junção N. Caso o diodo seja invertido no circuito, não ocorrerá a passagem da corrente elétrica.
   Quando a junção entre os tipos P e N é formada, surge uma região na qual os íons positivos e negativos se acumulam em uma região entre as duas junções, chamada região de depleção, mostrada na Figura 4.

Figura 4: Região de depleção

   Ao aplicarmos uma diferença de potencial, acima de 0,7 volts, nas extremidades do diodo, ocorrerá a passagem da corrente elétrica. Na simulação abaixo podemos configurar a dopagem das junções e controlar a tensão aplicada sobre o diodo, para observar a corrente do circuito.

Clique na figura para realizar o download do simulador

   Para que o LED funcione precisamos de um circuito simples, mas antes disso devemos conhecer a sua polarização. A Figura 5 mostra um encapsulamento padrão e a marcação da sua polarização (pino positivo e negativo).

Figura 3 - Polarização dos pinos do LED

       Na Figura 3 podemos observar que na simbologia do diodo aparecem setas, indicando que este diodo é emissor de luz. Na polarização dos diodos identificamos o pino negativo (-) como catodo e o pino positivo (+) como anodo.
Na Figura 6 temos o exemplo de um circuito para o acionamento do LED.

Figura 6: Circuito para acionamento do LED

                   O resistor R deve ser definido utilizando o princípio das quedas de tensão no circuito. Os LEDs são alimentados com tensões entre 2,0 e 3,8 V, tensões maiores podem danificar o LED. Então, para uma fonte Vcc de 9V, se um LED utiliza 2,5 V, a tensão sobre o Resistor será de 6,5 V.

               

   O cálculo do valor da resistor R é obtido pela expressão:

R = (V - VLED) / I

Onde:  V é a tensão da Fonte, VLED é a tensão sobre o LED, I é a corrente do circuito elétrico.

        Se analisarmos a expressão, veremos que ela é, na verdade, a aplicação da Primeira lei de Ohm.

             A corrente I, apa um LED comercial é de 0,02 A. Assim, para uma fonte de 9 V, um LED com alimentação de tensão de 2,5 V e uma corrente de 0,02 A, teremos o seguinte cálculo:

R = (9,0 V - 2,5 V) / 0,02 A
R = 325 Ω

               O valor de 325 Ω para resistores não é encontrado para comercialização, pois os valores dos resistores são padronizados. O valor comercial mai próximo encontrado é de 330 Ω, que não irá alterar significantemente o funcionamento do LED.

Resumo:

•     Vimos que os semicondutores foram fundamentais para o desenvolvimento da ciência e da tecnologia;

•       Os diodos são componentes muito versáteis e indispensáveis na eletrônica;

•              O diodo emissor de luz, o LED, é um dispositivo eletrônico pelo qual podemos visualizar o efeito da passagem de corrente por um material semicondutor ;

•             O acionamento de um LED necessita de cuidados em relação à sua polarização.

Atividade proposta: Utilize o simulador indicado no texto para configurar uma junção pn, lembrando que a junção p deve estar ligada ao polo positivo da pilha e a junção n deve estar ligada ao polo negativo da pilha, ajustado uma aplicação de tensão de 0,4 V. Envie nos comentários a descrição do que ocorreu durante a simulação, e explicando o porquê. 

Fontes:

https://newtoncbraga.com.br/index.php/eletronica/57-artigos-e-projetos/8162-alimentando-corretamente-seus-leds-art1437

https://www.computerhistory.org/siliconengine/first-semiconductor-effect-is-recorded/

http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/hframe.html

https://phet.colorado.edu/