Diodo semicondutor

O diodo é um componente elétrico que permite que a corrente o atravesse em um sentido com muito mais facilidade do que no outro. O tipo mais comum de diodo é o diodo semicondutor, no entanto, existem outras tecnologias de diodo. Diodos semicondutores são simbolizados em diagramas esquemáticos como na imagem 1. O termo "diodo" é habitualmente reservado a dispositivos para sinais baixos, com correntes iguais ou menores a 1 A. Diodos em paralelo tem entre 0,1 e 1 ohm para correntes de 1 a 5 A. Quando colocado em um simples circuito bateria-lâmpada, o diodo permite ou impede corrente através da lâmpada, dependendo da polaridade da tensão aplicada, como nas duas figuras abaixo. Na imagem 2 o diodo está diretamente polarizado, há corrente e a lâmpada fica acesa. Na imagem 3 o diodo está inversamente polarizado, não há corrente, logo a lâmpada fica apagada. O diodo funciona como uma chave de acionamento automático (fechada quando o diodo está diretamente polarizado e aberta quando o diodo está inversamente polarizado). A diferença mais substancial é que, quando diretamente polarizado, há uma queda de tensão no diodo muito maior do que aquela que geralmente se observa em chaves mecânicas (no caso do diodo de silício, 0,7 V). Assim, uma fonte de tensão de 10 V, polarizando diretamente um diodo em série com uma resistência, faz com que haja uma tensão de 9,3 V na resistência, pois 0,7 V ficam no diodo. Na polarização inversa, acontece o seguinte: o diodo faz papel de uma chave aberta, já que não circula corrente, não haverá tensão no resistor, a tensão fica toda retida no diodo, ou seja, nos terminais do diodo há uma tensão de 10 V.

A dopagem no diodo é feita pela introdução de elementos dentro de cristais tetravalentes, normalmente feitos de silício e germânio. Dopando esses cristais com elementos trivalentes, obtêm-se átomos com sete elétrons na camada de valência, que necessitam de mais um elétron para a neutralização (cristal P). Para a formação do cristal P, utiliza-se principalmente o elemento índio. Dopando os cristais tetravalentes com elementos pentavalentes, obtêm-se átomos neutralizados (com oito elétrons na camada de valência) e um elétron excedente (cristal N). Para a formação do cristal N, utiliza-se principalmente o elemento Fósforo. Quanto maior a intensidade da dopagem, maior a condutibilidade dos cristais, pois suas estruturas apresentam um número maior de portadores livres (lacunas e elétrons livres) e poucas impurezas que impedem a condução da corrente elétrica. Outro fator que influencia na condução desses materiais é a temperatura. Quanto maior é a temperatura de um diodo, maior a condutibilidade, pelo fato de que a energia térmica ter a capacidade de quebrar algumas ligações covalentes da estrutura, acarretando no aparecimento de mais portadores livres para a condução de corrente elétrica.

A polarização do diodo é dependente da polarização da fonte geradora. A polarização é direta quando o polo positivo da fonte geradora entra em contato com o lado do cristal P(chamado de anodo) e o polo negativo da fonte geradora entra em contato com o lado do cristal N(chamado de cátodo). Assim, se a tensão da fonte geradora for maior que a tensão interna do diodo, os portadores livres se repelirão por causa da polaridade da fonte geradora e conseguirão ultrapassar a junção P-N, movimentando-os e permitindo a passagem de corrente elétrica. A polarização é indireta quando o inverso ocorre. Assim, ocorrerá uma atração das lacunas do anodo(cristal P) pela polarização negativa da fonte geradora e uma atração dos elétrons livres do cátodo (cristal N) pela polarização positiva da fonte geradora, sem existir um fluxo de portadores livres na junção P-N, ocasionando no bloqueio da corrente elétrica.

Os diodos, assim como qualquer componente eletrônico, operam em determinadas correntes elétricas que são especificadas em seu invólucro ou são dadas pelo fabricante em folhetos técnicos. Além da corrente, a tensão inversa (quando o diodo está polarizado inversamente) também é um fator que deve ser analisado para a montagem de um circuito e que tem suas especificações fornecidas pelo fabricante. Se ele for alimentado com uma corrente ou tensão inversa superior a que ele suporta, o diodo pode ser danificado, ficando em curto ou em aberto. Utilizando de um ohmímetro ou um multímetro com teste de diodo, pode-se verificar se ele está com defeito. Colocando-se as pontas de prova desses aparelhos nas extremidades do diodo (cátodo e ânodo), verifica-se que existe condução quando se coloca a ponteira positiva no ânodo e a negativa no cátodo, além de indicar isolação quando ocorre o inverso. Assim o diodo está em perfeitas condições de operação e com isso é possível a localização do cátodo e do ânodo, porém se os aparelhos de medição indicarem condução dos dois caminhos do diodo, ele está defeituoso e em curto. Se os aparelhos de medição indicarem isolação nos dois caminhos, ele também está defeituoso e em aberto.

O fenômeno da condutividade em um só sentido é aproveitado como um chaveamento da corrente elétrica para a retificação de sinais senoidais, portanto, este é o efeito diodo semicondutor tão usado na eletrônica, pois permite que a corrente flua entre seus terminais apenas numa direção. Esta propriedade é utilizada em grande número de circuitos eletrônicos e nos retificadores. Os retificadores são circuitos elétricos que convertem a tensão CA (AC) em tensão CC (DC). CA vem de Corrente alternada, significa que os elétrons circulam em dois sentidos, CC (DC), Corrente contínua, isto é circula num só sentido. A certa altura, o potencial U , formado a partir da junção n e p não deixa os elétrons e lacunas movimentarem-se, este processo dá-se devida assimetria de cargas existente.

Os diodos são projetados para assumir diferentes características, em aplicações eletrônicas são divididos em três tipos básicos: 1N4148 (diodos de pequeno sinal); Família 1N5400 (diodos retificadores); Família BZX61 (diodos Zener). Os diodos Dependendo das características dos materiais e da dopagem dos semicondutores há uma gama de dispositivos eletrônicos variantes do diodo:

O diodo é representado pela equação da corrente através de um diodo em função da voltagem, a Lei do Diodo Ideal: I = I0 (qV/kT -1); onde: I = corrente líquida que flui através do diodo, inversamente relacionado à qualidade do material: I0 aumenta à medida que T aumenta; e I0 diminui à medida que a qualidade do material aumenta; I 0 = "corrente de saturação escura", a densidade de corrente de fuga do diodo na ausência de luz; V = tensão nos terminais do diodo; q = valor absoluto da carga do elétron; k = constante de Boltzmann, e; T = temperatura absoluta (em K).

Em 2022, equipe de pesquisadores (da Espanha, EUA e, Suíça) criaram um diodo supercondutor, depois de quase um século sendo considerado impossível. O diodo fabricado com materiais supercondutores têm umas vantagens: permite a corrente elétrica fluir sem resistência, grande redução no uso de energia em computação de alta potência; pois um chip de computador têm bilhões de diodos. O componente com materiais semicondutores esquentam muito devido à resistência elétrica e exige muita energia para resfriar os equipamentos. O primeiro protótipo construído pela equipe era uma camada atomicamente fina de vanádio, um supercondutor no formato comum na eletrônica chamado como barra Hall. Sob a ação de um minúsculo campo magnético este protótipo apresentou o efeito de supercondução; gigantesca dependência do fluxo de corrente em relação à polaridade. Para aumentar a praticidade do protótipo (diodo sem depender de equipamentos externos) a equipe cobriu um supercondutor com um ferroímã (um isolante ferromagnético),; material que produz naturalmente um campo magnético minúsculo. Assim o diodo ainda permaneceu estável, mesmo com o desligamento do campo magnético original. O supercondutor não gosta de campos magnéticos, então um truque no campo magnético induz o fenômeno "efeito Meissner" que faz o material supercondutor impedir que a corrente flua no outro sentido e expulsa o próprio campo magnético e o componente torna-se supercondutor (semelhante ao sistema imunológico humano, que libera anticorpos para combater bactérias).