Dispositivos semicondutores: diodos. - DEMAR

Dispositivos semicondutores: diodos.
Diodo de junção PN.
Os diodos são dispositivos semicondutores confeccionados na maioria das vezes
por uma junção PN. A Fig. 1 mostra o esquema de uma junção de dois materiais
semicondutores, um do tipo P e o outro do tipo N. O semicondutor tipo P é o anodo e o
semicondutor tipo N é o catodo. O funcionamento do diodo ocorre na região entre o
anodo e o catodo, chamada de junção.
Junção PN
+ -
Anodo P N
Catodo
Anodo
Fig. 1 Diodo de junção PN e símbolo elétrico.
Dispositivos semicondutores: diodos 1
+
i D
-
Catodo
A Fig.2a mostra os portadores majoritários em cada material semicondutor:
lacunas no tipo P e elétrons livres no tipo N. A estrutura do diodo é contínua de um lado
a outro da junção.Devido à continuidade da estrutura cristalina do diodo, os portadores
podem se mover através da junção. Após a formação do diodo, alguns elétrons podem
migrar para o anodo nas proximidades da junção. Ao encontrar as lacunas, ocorre a
recombinação do par elétron-lacuna e, consequentemente, o aniquilamento dos
portadores de carga majoritários na junção. A região formada pela neutralização das
cargas é denominada região de depleção por não haver portadores de carga (Fig. 2b). A
região de depleção não irá crescer muito além da junção por causa do campo elétrico
formado. Na verdade, a região de depleção funcionará como um capacitor e o campo
elétrico gerado impedirá a migração de novos elétrons livres difundidos do semicondutor
tipo N para se recombinar com as lacunas do lado P.
+
+
Lacunas
Junção
P N
+
+
+
+
+
+
+
+
- -
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
Elétrons livres
(a) (b)
+
+
P
Junção
N
+
+
+
+
+
+
+ +
-
-
-
-
-
-
-
-
-
- -
-
- -
Região de depleção
Fig. 2 (a) Portadores de carga majoritários em cada lado da junção, (b) difusão de
elétrons recombinando-se com as lacunas do anodo, formando a região de depleção.
Assim, quando um diodo é fabricado, alguns elétrons atravessam a junção e
preenchem as lacunas existentes no semicondutor tipo P criando uma barreira de
potencial na região próxima à junção. Como na região de depleção não há cargas, é de se
esperar que ela funcione como um isolante. Para vencer a barreira de potencial é

necessário aplicar um campo elétrico numa direção apropriada, de tal forma a colapsar a
região de depleção preenchendo-a com portadores de carga. A Fig. 3 ilustra o processo
de colapso da região de depleção através da aplicação de um campo elétrico com o
anodo polarizado positivamente e o catodo polarizado negativamente. O sentido
convencional da corrente é o sentido das cargas positivas e contrário ao sentido dos
elétrons livres.
+
+
+
Corrente
Colapso da região de depleção
P N
+
+
+
+
+
+
+
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
+ -
Fig. 3 Polarização direta do diodo de junção PN.
Com o colapso da região de depleção, o diodo passa a conduzir corrente. A
condição de operação do diodo mostrada na Fig. 3 é denominada polarização direta
(forward bias). Em Eletrônica, a polarização (bias)é uma tensão ou corrente aplicada a
um dispositivo para “ligá-lo”. No caso do diodo, a tensão de polarização é aplicada para
vencer a barreira de potencial originada pela região de depleção. Se o diodo for
polarizado reversamente, isto é, se for aplicado um potencial com polaridade negativa no
anodo e positiva no catodo, a região de depleção se alargará, como mostra a Fig. 4.
P N
+ + +
+
+ +
+ +
+ +
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
Alargamento da
região de depleção
-
Fig. 4 Efeito da polarização reversa sobre a região de depleção.
Como a região de depleção é isolante, o seu alargamento causará o bloqueio do
fluxo de corrente pelo diodo. Na realidade, uma ínfima corrente flui devido aos
portadores minoritários. O semicondutor tipo P possui alguns elétrons minoritários que
serão empurrados para a junção por causa da repulsão causada pelo terminal negativo da
fonte de tensão. O semicondutor tipo N, por sua vez, também possui algumas lacunas
minoritárias, que serão empurradas para a junção. Dessa forma, uma corrente de fuga se
estabelece quando o diodo está polarizado reversamente.
Dispositivos semicondutores: diodos 2
+

Curvas características de diodos de junção PN.
Os diodos conduzem numa direção mas não na outra. Esta é a característica mais
importante do diodo e que a torna importante em Eletrônica. A curva corrente-tensão ou
curva I-V é a curva característica de um dispositivo eletrônico, seja ele um resistor, um
capacitor ou um diodo. Enquanto a curva I-V de um resistor que obedece a lei de Ohm
(resistor ôhmico) é uma reta, a curva característica de um diodo apresenta uma forma
não-linear, como a mostrada na Fig. 5.
Quando uma tensão positiva é aplicada entre o anodo e o catodo, uma corrente iD
flui através do diodo, desde que essa tensão seja superior a um valor VD determinado
pelo tipo e pelo material utilizado na fabricação do diodo. Para um diodo de silício, esse
valor de tensão é cerca de 0,6 V, enquanto que um diodo de germânio, a tensão de
polarização é cerca de 0,3 V (Fig. 5). À medida que a corrente iD aumenta, a tensão VD
também aumenta, porém, a maior queda de tensão no diodo é devido à sua polarização.
Se uma tensão reversa negativa VR é aplicada sobre o diodo (do anodo para o
catodo), o dispositivo exibe uma grande resistência à passagem de corrente e esta
corrente denomina-se corrente de fuga reversa (iR). Se a intensidade da tensão reversa
exceder um valor crítico, ocorre uma avalanche de corrente quando os portadores
minoritários adquirem energia suficiente para colidir com os elétrons de valência e leválos
para a banda de energia de condução. Este processo causa uma avalanche de
portadores de carga e a corrente aumenta rapidamente. A tensão em que ocorre a
avalanche de corrente é denominada tensão de ruptura reversa (VBR) e para o diodo de
silício está compreendido entre 50 e 1000 V, dependendo do processo de fabricação do
diodo.
Fig. 5 Curvas características I-V para diodos de germânio e silício
A temperatura afeta as características operacionais do diodo, como mostra a
Fig.6, por causa da influência da ativação térmica sobre a junção e na criação de
Dispositivos semicondutores: diodos 3

portadores majoritários. Normalmente, quanto maior a temperatura, maior será a
condutividade elétrica e menor será a tensão de polarização do diodo. Este fato concorda
com as características de coeficiente negativo da temperatura (NTC) para os materiais
semicondutores.
Fig. 6 Curvas características I-V para o diodo de silício mostrando a influência da
temperatura.
Quando o diodo está conduzindo no sentido direto, isto é, do anodo para o
catodo, e a corrente reverte abruptamente, ele se “esquece” de bloquear esta corrente
reversa durante um curto intervalo de tempo, chamado tempo de recuperação reversa trr.
Durante este tempo, uma grande corrente é conduzida pelo diodo e esta corrente
denomina-se corrente de recuperação reversa irr.
Processo de fabricação de diodos.
Os diodos atualmente são fabricados utilizando-se técnicas desenvolvidas para a
fabricação de dispositivos semicondutores, como os transistores e circuitos integrados. A
Fig. 7 mostra o fluxograma de fabricação de diodo empregando tecnologia planar.
Empregam-se etapas de deposição de polímeros, reação química no estado gasoso e no
estado sólido, utilizando-se fornos de crescimento de cristal e de reação química por
vapor (CVD). Alguns desses equipamentos estão ilustrados nas Figuras 8, 9 e 10.
O aspecto real de um diodo está apresentado na Fig. 11, onde se observa a
estrutura de camadas crescidas, depositadas e difundidas, para a fabricação da junção PN
e das conexões elétricas externas.
Dispositivos semicondutores: diodos 4

N+
Substrato
(Si monocristalino dopado)
N
N+
Deposição
Máscara
Resina fotoresistiva
Ataque químico
do isolante
Dopagem
N
Camada epitaxial
N
N+
Luz ultravioleta
N
N+
Impurezas tipo P
P
N+
Oxidação
Metalização
Fotolitografia
Dispositivos semicondutores: diodos 5
N
N+
Contatos metálicos
Fig. 7 Processo de fabricação de diodo de junção PN com tecnologia planar
(Rezende, 1996).
Fig. 8 Esquema de deposição de vapor e crescimento epitaxial.
SiO 2
isolante

Fig. 9 Forno de crescimento epitaxial.
Fig. 10 Forno para deposição e difusão de dopante em cristal semicondutor.
Metal
Tipo P (anodo)
Metal
Tipo N (catodo)
Fig. 11 Esquema de um diodo de junção PN real.
Isolante (SiO )
2
Dispositivos semicondutores: diodos 6

Diodo Schottky
A Fig. 12 mostra um diodo Schottky. A sua aparência é bastante semelhante à do
diodo de junção PN, mas, ao invés de ter uma camada P implantada, ele possui uma
barreira metálica denominada barreira Schottky, formando uma junção metalsemicondutor.
As guardas constituem-se em anéis metálicos, cuja função é tornar as
características de ruptura reversa do dispositivo mais robustas. Tanto o metal quanto o
semicondutor são materiais do tipo N, de modo que a condução de carga ocorre apenas
através de portadores majoritários, sem haver injeção, armazenamento ou recombinação
de portadores minoritários. Isto explica a ausência de recuperação reversa do diodo
Schottky, tornando-o ideal para aplicações em altas freqüências, tais como circuitos
detectores de alta freqüência ou em circuitos de chaveamento rápido. As características
da curva I-V são semelhantes às do diodo PN.
Metal
Metal
Guarda
Camada epitaxial tipo N-
Substrato tipo N+
Fig. 12 Estrutura do diodo Schottky.
Barreira Schottky
Isolante (SiO )
2
O que diferencia as características de condução dos diodos comuns em relação
aos diodos Schottky é a tecnologia de fabricação e o material usado. Desse modo, para
obter uma barreira de condução baixa existem diversas tecnologias que são empregadas,
determinando outras características do componente. Enquanto os diodos PN apresentam
uma característica de operação de alta temperatura, baixas fugas e uma queda de tensão
no sentido direto relativamente alta, os diodos Schottky são projetados para operar em
temperaturas mais baixas (< 125 o C) apresentando correntes de fugas mais elevadas e
uma queda de tensão no sentido direto menor.
Nos diodos Schottky de barreira alta o metal usado na barreira é o “nicromo”
(Ni-Cr), enquanto que no de barreira baixa o material é o nicromo-platina. O tipo de
geometria usada na estrutura do diodo é que vai determinar as características elétricas
básicas do componente. A baixa tensão direta, da ordem de microvolts, e o baixíssimo
tempo de recuperação da ordem de picossegundos, devem-se ao metal usado no ponto
em que se tem a barreira de potencial. Na Fig. 13 é mostrada a curva característica I-V
para este componente, observando-se a tensão muito baixa em que ele começa a
conduzir quando polarizado no sentido direto.
A barreira metálica também é responsável pela baixa tensão de polarização direta
do diodo Schottky. A sua desvantagem é a corrente de fuga, muito superior ao do diodo
de junção PN. Em algumas aplicações, esta corrente de fuga pode levar ao dispositivo a
exceder sua temperatura de junção. À medida que a temperatura da junção aumenta, a
tensão de polarização direta cai, enquanto que a corrente de fuga aumenta.
Dispositivos semicondutores: diodos 7

Fig. 13 Curva característica I-V do diodo Schottky.
A Fig. 14 mostra o gráfico comparativo entre o tempo de recuperação reversa
para o diodo PN e o diodo Schottky.
(a) (b)
Fig. 14 (a) Recuperação reversa de um diodo PN comum e (b) recuperação reversa de
um diodo Schottky.
Diodo Zener
Um diodo Zener é um tipo especial de diodo que opera na região de tensão
reversa de ruptura. O efeito avalanche foi observado por Clarence Zener, que propôs a
sua utilização como elemento de regulação de tensão. A Fig. 15 mostra o símbolo do
diodo zener.
Fig. 15 Símbolo do diodo zener.
Dispositivos semicondutores: diodos 8

No circuito da Fig. 16, o diodo zener 1N4743 é utilizado como regulador de
tensão. Observe que, para tensões reversas maiores do que a tensão de ruptura zener
(VZ), um pequeno incremento na tensão causa uma grande variação na corrente reversa
no zener. Suponha que a fonte de tensão Vin não seja uma fonte regulada, que forneça
uma tensão de 21 V. Esta fonte está conectada a uma carga de resistência RL , para a
qual desejamos aplicar uma tensão fixa de +15 V. Observe que o diodo zener escolhido
tem tensão zener VZ = 15 V. O resistor R é colocado para limitar a corrente e o seu valor
pode ser calculado para limitar a corrente em 20% da corrente máxima do zener
(IZ max = 61 mA). Supondo que a corrente para alimentar a carga seja de 150 mA, então
podemos calcular R à partir de:
V = 21 V
in
+
-
Vin
− VZ
21−
15
= =
−3
−
i + 0,
2I
150.
10 + 0,
2.
61.
10
R 3
L Z max
R
V Z
i L
= 37 Ω
Dispositivos semicondutores: diodos 9
R
Diodo zener 1N4743
VZ = 15 V, 1 W
ZZ = 17 Ω a IZ = 17 mA
IZ (máx) = 61 mA
Fig. 16 Circuito regulador de tensão com diodo zener.
Assim, o diodo zener 1N4743 limita a tensão entre os seus terminais em 15 V. A
diferença para a tensão de alimentação de 21 V é dissipada sobre o resistor de 37 Ω,
limitando a corrente no diodo zener em 12,2 mA (que corresponde a 20% de IZ máx).
Se for necessário limitar uma tensão maior, pode-se colocar vários diodos zener
em série, de forma que a tensão de regulação é a soma das tensões zener de cada um dos
diodos.
Diodo Varicap
O diodo varicap é um tipo especial de diodo obtido através do controle das
condições de fabricação da junção PN. Neste caso, a concentração de dopante na junção
é gradual, isto é, a concentração de dopante aumenta de um lado da junção em relação
ao outro, de modo que a capacitância da junção varia com a intensidade da tensão
reversa. Todos os diodos de junção PN exibem esta característica, porém, no caso do
varicap, este comportamento é mais pronunciado, como mostra a Fig. 17. Assim, um
varicap é um capacitor controlado por tensão (VCC) e é utilizado em circuitos de
sintonia de rádio-freqüência no lugar de capacitores variáveis de ar tipo borboleta.

Capacitância do diodo (pF)
100
10
Diodo varicap
Diodo normal
1
0,1 1 10 100
Tensão reversa, V R (V)
Fig. 17 Curvas de capacitância para um diodo normal e um diodo varicap.
Diodo Túnel
O diodo túnel é feito com uma concentração de impurezas acima do normal.
Como resultado, a curva característica I-V é diferente daquela apresentada pelo diodo de
junção PN de silício, como mostra a Fig. 18.
Fig. 18 Curvas I-V para um diodo normal e um diodo túnel.
Dispositivos semicondutores: diodos 10

O comportamento do diodo túnel é caracterizado pela presença de um pico (Ip e
Vp) e de um vale (Iv e Vv) na curva I-V. A região entre Vp e Vv é chamada de região de
resistência negativa porque a corrente diminui com o aumento da tensão. Na região
além do vale, o diodo túnel comporta-se como um diodo normal. Se colocarmos o diodo
para operar no ponto do meio do vale da curva I-V, ele funcionará como um oscilador
de alta freqüência. O nome diodo túnel foi dado porque o fenômeno quântico de
tunelamento de elétrons através da barreira da junção foi usado para explicar o seu
funcionamento.
A Fig. 19 mostra os símbolos eletrônicos de alguns diodos especiais, como o
diodo Schottky, diodo varicap e diodo túnel.
-
Diodo Schottky Diodo Varicap Diodo Túnel
Fig. 19 Símbolos para alguns diodos especiais.
Tipos e especificação de diodos comerciais
A Tabela 1 apresenta os principais tipos e especificações de diodos para
aplicações eletrônicas. De maneira simples, os diodos para aplicações eletrônicas são
divididos em três tipos básicos:
• 1N4148 (diodos de pequeno sinal)
• Família 1N5400 (diodos retificadores)
• Família BZX61 (diodos Zener)
TABELA 1 Tipos e aplicações de diodos.
TIPO USO CORRENTE VR máx. (V)
1N914 detector/alta velocidade 75 mA 75
1N4148 detector/alta velocidade 200 mA 75
BB119 varicap usado em CAF ------ ------
BB809 varicap usado em VHF ------ ------
1N4001 retificador 1 A 50
1N4002 retificador 1 A 100
1N4003 retificador 1 A 200
1N4004 retificador 1 A 400
1N4005 retificador 1 A 600
1N4006 retificador 1 A 800
1N4007 retificador 1 A 1000
Dispositivos semicondutores: diodos 11
+

Diodo emissor de luz (LED)
A emissão de luz num dispositivo semicondutor ocorre por um processo diferente
daquele que ocorre em lâmpadas incandescentes. Enqunato nesta, o processo de emissão
de luz ocorre por aquecimento de um filamento, no semicondutor a emissão se baseia em
processos quânticos de radiação denominado luminescência. A luminescência é a
emissão de fótons que ocorre quando um átomo passa de um nível energético excitado
para outro de menor energia. A excitação pode-se dar por absorção de luz
(foto-luminescência), bombardeamento com feixe de elétrons (catodo-luminescência) e
pela aplicação de campo ou corrente elétrica (eletro-luminescência). A
foto-luminescência é o princípio de funcionamento dos lasers de estado sólido; a
catodo-luminescência é a base de operação dos cinescópios de aparelhos de TV e a
eletro-luminescência acontece nos diodos emissores de luz (LED – light emitting diode).
O funcionamento do LED é baseado na eletro-luminescência causada pela injeção
de portadores numa junção PN. Quando a junção PN é diretamente polarizada, as
lacunas do semicondutor tipo P e os elétrons livres do semicondutor tipo N movem-se
em sentidos opostos em relação à camada de depleção. As lacunas injetadas no lado N
recombinam-se com os elétrons livres que chegam da camada de depleção, enquanto que
os elétrons livres injetados no lado P recombinam-se com as lacunas vindas da camada
de depleção. Assim, todos os portadores recombinam-se nas imediações da camada de
depleção. Se o semicondutor tiver um gap de energia direto, a recombinação de cada par
elétron-lacuna resulta na emissão de um fóton. Por não haver dissipação de energia, o
processo de emissão de luz num diodo é extremamente eficiente.
Os materiais utilizados na fabricação de LEDs são as ligas ternárias GaxAl1-xAs e
GaAs1-xPx, além da liga GaAs.
Os LEDs que operam no visível são muito utilizados para a confecção de painéis
indicadores de equipamentos elétricos e eletrônicos e na fabricação de displays digitais
constituídos de segmentos.
Diodo laser
(a) (b)
Fig. 20 - (a) Fotodiodo e (b) diodo PIN (fotosensor de raios x)
A radiação produzida por uma lâmpada incandescente ou por um LED é
composta por fótons emitidos espontaneamente por átomos ou moléculas independentes.
No processo de emissão espontânea, um sistema quântico passa de um nível energético
Dispositivos semicondutores: diodos 12

para outro de menor energia devido a flutuações aleatórias. Conseqüentemente, a fase do
campo resultante varia aleatoriamente no tempo e espaço, fazendo com que a radiação
seja incoerente. Num laser, a radiação é produzida por amplificação estimulada da luz.
Ela resulta das emissões de átomos e moléculas estimuladas por um campo
eletromagnético. Neste processo, as fases dos campos dos fótons emitidos estão
correlacionados e, em conseqüência, a radiação é coerente. Além disso, a radiação
também é altamente monocromática, isto é, o seu espectro de freqüência é bastante
estreito.
Diodos de potência
Estrutura do diodo laser (Halliday, 1993)
Diodo laser (Halliday, 1993).
Os diodos de potência apresentam além das duas camadas P e N, uma terceira
camada (Fig. 21a). A camada N extra e intermediaria às duas convencionais é de baixa
dopagem (N-) e sua função é aumentar a capacidade do componente quando aplicado
em tensões elevadas. Essa camada acrescenta uma parcela resistiva ao diodo quando em
Dispositivos semicondutores: diodos 13

condução. Além disso, a área da seção transversal das junções é maior do que a de um
diodo normal, pois a corrente circulante também é maior e isso agrega urna parcela
capacitiva ao diodo quando em bloqueio (Fig. 21b). Essas características são indesejáveis
porque introduzem distorções na forma de onda da comutação de um diodo de potência,
conforme mostra a Fig. 7. Entretanto, como o dispositivo é suficientemente robusto,
essas características não deverão afetar o seu funcionamento. Mesmo assim, é
recomendável utilizar-se algumas técnicas de filtragem e amortecimento dos transientes
provocados pela comutação dos diodos de potência.
(a) (b)
Fig. 21 (a) Estrutura de um diodo de potência, (b) circuito equivalente de um diodo real.
A resistência e a capacitância parasitas formadas em um diodo de potência
podem gerar sobretensões no circuito, principalmente quando são chaveadas cargas
indutivas. Os novos diodos, denominados “soft-recovery”, minimizam esses efeitos,
sendo que sua resposta é da ordem de alguns μs. Apenas como comparação, os diodos
mais antigos apresentavam dezenas e até centenas de μs de atraso na comutação.
Fig. 19 Formas de onda na comutação do diodo.
Dispositivos semicondutores: diodos 14

Modelos comerciais de diodos de potência (Aegis)
Recuperação Normal
¢ £ ¤ ¥ ¦ ¡ § ¨ © ¨
¡
Recuperação rápida
¡ ¢ ¡ £ ¤ ¥ ¡ ¢ £ ¦ ¡
¨ © ©
§
© © ©
© ¨
Diodo Schottky
© © © © © ©
© © ©
© ©
¡ ¢ ¡ £ ¤ ¥ ¡ ¡ £ ¦
Press Fit
Dispositivos semicondutores: diodos 15

Fig. 23 Diodo retificador de potência tipo rosca
Fig.24 Diodo retificador de potência tipo disco
Dispositivos semicondutores: diodos 16

Fig.25 Diodo retificador de potência tipo press fit
Fig. 26 Pontes retificadoras compactas
Fig. 27 Pontes retificadoras montadas com dissipadores
Dispositivos semicondutores: diodos 17

Referências bibliográficas
Fig. 28 Módulo de diodos de potência
AEGIS Semicondutores Ltda. Disponível online http://www.aegis.com.br/produtos.htm
BARANAUSKAS, V.Técnicas instrumentais de caracterização de semicondutores.
Campinas: Editora da UNICAMP, 1989.
DIEFENDERFER, A.J. Principles of electronic instrumentation. Philadelphia, PA:
Sauders College Publishing, 1979.
HALLIDAY, D., RESNICK, R., WALKER, J. Fundamentals of physics – Extended
with modern physics. New York: John Wiley, 1993.
MILLMAN, J. & HALKIAS, C.C. Electronic devices and circuits (International student
edition). Tokyo: McGraw-Hill Kogakusha, 1967.
SCHULER, C.A. Electronics principles and applications. New York: McGraw-Hill,
1985.
REZENDE, S.M. A física de materiais e dispositivos eletrônicos. Recife, PE: Editora
Universitária da UFPE, 1996.
Dispositivos semicondutores: diodos 18