Eletrônica - diodo semicondutor e junção PN

Nesse período da faculdade estou com a disciplina de eletrônica e através do blog irei tentar organizar os resumos de estudo como uma boa preparação para a prova. Eu li em algum lugar que tentar explicar o que você leu, ajuda fixar mais as informações.

Todas as informações aqui podem ser encontrados no livro: Dispositivos eletrônicos e teoria de circuitos de Robert L. Boulestad e Louis Nashelsky, mais especificamente na edição 11.

 Vou tentar resumir o primeiro capítulo do livro de forma que você seja introduzido a vários nomes estranhos e ideias novas sobre eletrônica. Espero instigá-lo a obter o livro na sua biblioteca, caso seja universitário.

O diodo é um dispositivo eletrônico responsável pela condução ou não de corrente em um circuito. Ele está na classe de componentes de circuito ativo pois tem a capacidade de controlar o fluxo de energia no sistema. Por outro lado temos os chamados componentes de circuito passivos que não tem essa capacidade. Os resistores, indutores e capacitores são os exemplos mais simples.

Entenda que os diodos são formados a partir de dois tipos de materiais, o tipo N e P. Para entender qual a diferença entre esses materiais, é necessário saber que existem 3 características elétricas relacionadas a condução de energia, ser condutor (conduz uma corrente), ser isolante (não conduz corrente) e ser semicondutor (está no meio termo).  O semicondutor em particular nos interessa, pois ele é manipulado para a construção desses dois tipos (o tipo N e P) que se diferem pelo forma como transportam a carga, podendo ser pelo elétron (convencionado como carga negativa) ou pela lacuna (convencionado pela carga positiva).

Tipo N: são materiais construídos para ter um excesso de carga negativa, nesse caso tem elétrons em excesso. Consideremos o Si (silício) ou Ge (germânio) que possui 4 elétrons na sua ultima camada e precisa de ainda 4 outras ligações para alcançar o equilíbrio. Nesse caso "dopamos" o elemento com uma impureza como o antimônio (Sb) que possui 5 elétrons na camada de valência. Dessa forma o Si se estabelece com as 4 ligações, mas ainda sobra 1 elétron do Sb, sinalizando esse excesso de carga negativa.

Tipo P: já esse tipo de material, é construído para ter um excesso de cargas positivas, nesse caso tem lacunas em excesso. Consideremos o Si novamente, mas desta vez iremos dopá-lo com boro (B) que possui apenas 3 elétrons na ultima camada. Nessa combinação o Si ainda necessita de 1 elétron, sinalizando esse excesso de carga positiva.

Observe que em materiais condutores o portador de carga é apenas o elétron.

Muitos dispositivos eletrônicos inicialmente foram desenvolvidos a base do Germânio. A escolha do elemento usado se deveu a vários fatores, mas um deles, por exemplo, foi a disponibilidade na natureza. Com o passar dos anos, descobriu-se que os diodos e transistores construídos a base de germânio sofriam de baixos níveis de confiabilidade, principalmente por causa de sua sensibilidade à variação de temperatura. Na época o processo de pureza ainda estava em fase de desenvolvimento, então era caro desenvolver dispositivos em cima de outro elemento. Em 1954, o primeiro transistor de silício foi lançado, tornando-se o material semicondutor preferido. Vale lembrar que a partir daí, não iniciou um "desprezo" pelo germânio na industria. Ainda existe muitas aplicações onde as características desse elemento são úteis. Por exemplo, cada elemento tem o que chamamos de mobilidade relativa dos portadores de carga livre e se trata da capacidade desses portadores de se moverem por todo o material. O germânio tem duas vezes mais mobilidade relativa em comparação com o silício e isso o torna mais vantajoso na aplicação de radiofrequência.

Retomando a constituição e funcionamento de um diodo semicondutor, concordamos que é um material dos dois tipos junto o que fica conhecido como junção PN. Assim que um material tipo N é juntado com um material do tipo P, ocorre o esgotamento de portadores livres na região de junção. Essa região é chamada de depleção e basicamente cria íons nesse local, pois tínhamos átomos doadores no material tipo N e átomos receptores no material tipo P. Os átomos doadores ficam com carga positiva por perderem os elétrons e os átomos receptores ficam com carga negativa por receberem os elétrons. 

A partir daí podemos analisar dois comportamentos para essa junção baseado na aplicação de um potencial para cada lado, ou seja, polarizando o diodo diretamente e inversamente.

Polarização reversa

 No material tipo P, temos portadores de carga majoritariamente positiva (que são as lacunas). No material tipo N, temos portadores de carga majoritariamente negativa (que são os elétrons). Quando é aplicado um potencial positivo no material tipo N e um potencial negativo no material tipo P, temos a chamada polarização inversa.

O que ocorre nesse momento é o aumento da barreira de depleção, pois os portadores de carga são atraídos pelo potencial aplicado, o que origina mais íons. Com esse aumento da barreira de depleção não existe fluxo de corrente.

Um ponto importante sobre aplicação de um potencial sob a condição de polarização reversa é a região onde o diodo passa a conduzir corrente a qual chamamos de região de ruptura/Zener.

Polarização direta

 Nessa condição é aplicado um potencial positivo no material de tipo P e um potencial negativo no material tipo N. Nesse caso, os elétrons e as lacunas são forçados a se recombinar com os íons próximos à fronteira e isso reduz a região de depleção e estabelece um fluxo contínuo e exponencial de corrente. Exponencial pois as características gerais de um diodo semicondutor podem ser definidos pela equação de Shockley.