Capítulo 2 – Dopagem nos diodos
Para os diodos fazerem o que fazem, sua estrutura cristalina é manipulada por um processo chamado dopagem, onde outro elemento é adicionado ao silício.
Os diodos de silício têm dois elementos adicionados a eles formando duas regiões, a região do tipo P, com portadores de carga positiva, e a região do tipo N, com portadores de carga negativa. Cada átomo do novo elemento substitui um átomo de silício na rede cristalina.
Tipo – P = portadores de cargas positivas
Na região tipo P, o silício é dopado com um elemento como o boro ou o alumínio, que possuem 3 ao invés de 4 elétrons na camada de valência externa.
O elétron faltante cria buracos na estrutura cristalina. Invés de ter uma estrutura estável de 8 elétrons, agora há alguns átomos possuem apenas 7 elétrons em suas camadas externas.
Mas ainda é necessário o oitavo elétron para que fiquem estáveis. Assim, esses buracos são as portadoras de cargas positivas.
Tipo – N = portadores de cargas negativas
Na região de tipo – N, o silício é dopado com um elemento como antimônio ou fósforo.
Esses elementos possuem 5 elétrons em suas camadas de valência externas, um a mais que a estrutura do cristal de silício precisa. Assim, 4 desses elétrons se juntam com os átomos de silício, enquanto o quinto se torna um elétron livre que pode viajar de átomo a átomo.
Esses elétrons livres são portadores de cargas negativas:
Junção PN
Existem duas regiões no diodo, uma dopada com portadores de cargas positivas e outra dopada com portadores de cargas negativas.
O local onde essas duas regiões se encontram é chamado de junção PN. Perto da junção, as cargas positivas e negativas, tendo cargas opostas, são atraídas uma para a outra como ímãs. Os elétrons livres na região do tipo N migram e preenchem os buracos na região do tipo P.
Por causa das partículas carregadas se movendo, a área próxima à junção na região do tipo P torna-se levemente carregada negativamente, enquanto a área próxima à junção na região do tipo N fica levemente carregada positivamente.
Essa área é conhecida como zona de depleção.
Os elétrons livres na região do tipo N continuarão migrando para os buracos na região do tipo P, fazendo com que as cargas dentro da zona de depleção aumentem. Essas cargas eventualmente ficarão fortes o suficiente para começar a repelir as cargas em sua região. O lado do tipo N ganha carga positiva suficiente em sua zona de depleção para repelir as cargas negativas na região. E o mesmo ocorre no lado do tipo P, onde a zona de depleção recebe carga negativa o suficiente para repelir a carga positiva da região.
Eventualmente, a zona de depleção torna-se carregada o suficiente para interromper a migração de elétrons. Em um diodo de silício, isso acontece em torno de 0,7V.
O comportamento de um diodo em um circuito
Quando o diodo é conectado à energia, a zona de depleção irá reagir. Como ele reage depende da polaridade, que é a maneira como o diodo está conectado aos terminais positivo e negativo da bateria.
Polarização direta
A polarização direta é o modo de operação normal de um diodo. Um diodo conectado em polarização direta, tem seu cátodo negativo conectado ao terminal negativo da fonte de alimentação, e seu ânodo positivo, conectado ao terminal positivo da fonte de alimentação.
Quando a energia é fornecida, a carga negativa no cátodo empurra mais elétrons livres para a região do tipo N e ainda mais para a zona de depleção. Como a zona de depleção está ganhando portadores de carga negativa, sua carga positiva diminui.
Quando a energia é fornecida, a carga negativa no cátodo empurra mais elétrons livres para a região do tipo N e ainda mais para a zona de depleção. Como a zona de depleção está ganhando portadores de carga negativa, sua carga positiva diminui.
A carga da fonte de alimentação é mais forte do que a do diodo. Os elétrons livres sempre se moverão em direção à carga mais forte.
Os elétrons livres que fluíram da região do tipo N e viajaram para os buracos na região do tipo P continuarão a fluir do ânodo para a fonte de alimentação. Conforme os elétrons livres se movem, eles deixam buracos para trás. Mais elétrons livres fluem da fonte de alimentação, através do cátodo para a região do tipo N, preenchendo os buracos que são encontrados lá.
Uma vez que a carga na fonte de alimentação será sempre mais forte do que dentro do diodo, os elétrons livres continuarão a ser retirados da fonte de alimentação, para o diodo através do cátodo negativo, passando pelas regiões do tipo N, em seguida, do tipo P, e fora do diodo através do ânodo, de volta à fonte de alimentação.
Este ciclo continuará,acontecendo no circuito enquanto a energia for fornecida.
Polarização reversa
Uma maneira de conectar o diodo é o que é chamado de polarização reversa. O diodo é conectado “invertido”, com o terminal negativo conectado ao seu ânodo (+) e o terminal positivo conectado ao seu cátodo (-).
Como um diodo deve permitir apenas que a corrente flua em uma direção, ele deve interromper o fluxo de eletricidade nesta direção. Vamos dar uma olhada dentro do diodo para ver o que está acontecendo.
A reação de cargas dentro de um diodo e circuito pode ser comparada ao repelir e atrair ímãs. Os lados semelhantes irão repelir, enquanto os lados opostos irão atrair. O mesmo é verdade para cargas positivas e negativas.
Os átomos na região do tipo P dopada positivamente são atraídos para longe da zona de depleção no centro, em direção à carga negativa da fonte de alimentação no ânodo. Positivo é atraído pelo negativo.
Os átomos na região do tipo N dopada negativamente também são atraídos para longe da zona de depleção no centro, em direção à carga positiva da fonte de alimentação no cátodo. O negativo é atraído pelo positivo.
As cargas em ambas as regiões se afastam da junção, fazendo com que a zona de depleção se alargue.
Com as cargas tão distantes, não há compartilhamento de elétrons. O fluxo de elétrons é impossível.
Ok, não completamente impossível. Existe uma exceção. Os diodos possuem uma tensão de ruptura. Uma tensão aplicada a um diodo em polarização reversa pode se tornar forte o suficiente para superar a zona de depleção, quebrando o diodo, fazendo com que ele permita que a corrente flua na direção errada. Mas isso geralmente danifica ou destrói completamente o diodo.
Por exemplo, um diodo 1N4001 pode quebrar em até 50 volts, enquanto um 1N4007 pode suportar 1000 volts antes de quebrar. Em um diodo de silício, a carga na zona de depleção é de cerca de 0,7V. Isso é chamado de potencial de barreira ou tensão de limite. Portanto, para superar a carga na zona de depleção, uma tensão de pelo menos 0,7 V deve ser aplicada ao diodo.
Exemplo:
Menos de 0,7 V – a corrente não fluirá pelo diodo.
Mais de 0,7 V – a corrente fluirá pelo diodo.
0,2 V = Sem fluxo, 3 V = Sim, fluxo!
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* Texto adaptado do original publicado em: link.
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