Aula 23 - Diodos especiais

1 - Diodo de contato pontual (Cat Whisker Diode)

Diodos de contato pontual (Cat Whisker Diode) são usados ​​para detectar sinais de alta frequência. Eles são produzidos criando uma junção PN entre um fio de ouro ou tungstênio e um material de germânio tipo n. O fio dourado permite a passagem de alta corrente pela junção. As características diretas deste diodo são semelhantes às de um diodo normal; entretanto, na polarização reversa, o diodo atua como um isolante. Isso faz com que o diodo opere como um capacitor em condições de polarização reversa e bloqueie a CC enquanto passa por um sinal CA de alta frequência. O corpo do diodo está envolto em um invólucro de vidro.

Este diodo é usado como um detector AM dentro de um receptor de rádio e um detector de vídeo dentro de um receptor de TV.

Construção: O diodo de contato pontual é construído com um contato de substrato de um semicondutor tipo N, bem como fio de bronze fosforoso (bigode de gato). Neste tipo de construção de diodo, o semicondutor usado é Ge ou Si, embora Ge seja amplamente usado porque tem alta mobilidade de portadora.

O comprimento do substrato semicondutor é de aproximadamente 1,25 mm^2 e sua largura é de 0,5 milímetros de espessura. Aqui, uma parte do substrato do semicondutor é conectada com a base de metal por soldagem com o método de aquecimento RF. A região transversal do "bigode de gato" é conectada a um semicondutor tipo N, no entanto, a fase do substrato que é conectada ao bigode de gato deve ser revertida para essa fase de contato de metal. Aqui, os terminais de ânodo e cátodo são simplesmente conectados por meio de contatos metálicos.

Desenvolvido pelos primeiros pesquisadores de rádio Jagadish Chandra Bose, G. W. Pickard e outros, este dispositivo foi usado como detector nos primeiros rádios de cristal, desde 1906 até a Segunda Guerra Mundial. Foi o primeiro tipo de diodo semicondutor e o primeiro dispositivo eletrônico semicondutor.

A folha de dados do Point Contact Germanium Diode 1N34A está disponível em: Point Contact Germanium Diode 1N34A.

2 - Diodos PIN

O diodo PIN é usado como chave ou atenuador em frequências de RF e micro-ondas. Ele é formado por um sanduíche de uma camada semicondutora intrínseca de alta resistividade entre as camadas tipo P e tipo N de um diodo convencional; daí o nome PIN, que reflete a estrutura do diodo.

O diodo sem polarização ou com polarização reversa não tem carga armazenada na camada intrínseca. Essa é a condição de desligamento nas aplicações de comutação. A inserção da camada intrínseca aumenta a largura efetiva da camada de depleção do diodo, resultando em uma capacitância muito baixa e em tensões de ruptura mais altas.

A condição de polarização direta resulta na injeção de lacunas e elétrons na camada intrínseca. Esses portadores levam algum tempo para se recombinarem uns com os outros. Esse tempo é chamado de vida útil do portador, t. Há uma carga média armazenada que reduz a resistência efetiva da camada intrínseca a uma resistência mínima, RS. Na condição de polarização direta, o diodo é usado como um atenuador de RF.

Construção: O nome é deve-se à existência de uma camada I (“intrínseca” – silício sem dopagem) entre as camadas P e N. Quando diretamente polarizado, buracos e elétrons são injetados na camada intrínseca I e as cargas não se anulam de imediato, ficam ativas por um determinado período. O efeito resulta numa carga média na camada que possibilita a condução. Na polarização nula ou inversa, não há carga armazenada e o diodo comporta-se como um condensador (capacitor) em paralelo com a resistência própria do conjunto.

O diodo PIN encontrou suas primeiras aplicações em 1952 como um retificador de baixa frequência e alta potência. Também foi usado em várias aplicações de micro-ondas, embora tenha demorado até cerca de 1960 antes que seu uso se tornasse mais popular nessa aplicação.

A folha de dados do Silicon PIN Diode 1N5719 está disponível em: Silicon PIN Diode 1N5719.

3 - Diodo de Avalanche

Diodos de Avalanche são aqueles que funcionam em modo de ruptura de avalanche sem se danificarem. Em geral, eles não permitem corrente, mas quando a voltagem cruza a voltagem de ruptura, eles começam a conduzir corrente. Um diodo que usa o método de avalanche para fornecer desempenho adicional em comparação com outros diodos é chamado de fotodiodo de avalanche.

Os fotodiodos de avalanche transformam um sinal óptico em um sinal elétrico e podem operar em altas tensões de polarização reversa.

A estrutura de um fotodiodo PIN e um fotodiodo de avalanche é semelhante e consiste em duas regiões fortemente dopadas e duas regiões levemente dopadas, as regiões fortemente dopadas são P + e N +, enquanto as regiões levemente dopadas são I e P.

O fotodiodo de avalanche foi projetado pelo engenheiro japonês" Jun-ichi Nishizawa" em 1952. O fotodiodo de avalanche é um detector semicondutor muito sensível que usa o efeito fotoelétrico para converter luz em eletricidade.

Em sistemas de comunicação de fibra óptica, um único componente, como um fotodiodo de avalanche, é usado para converter a luz em um sinal elétrico. Durante o processo de avalanche, portadores de carga são gerados por colisões. Os fótons semelhantes a partículas de luz criam muitos elétrons, que por sua vez criam uma corrente elétrica.

A folha de dados do Avalanche Diode R2KN está disponível em: Avalanche Diode R2KN.

4 - Diodo de barreira Schottky

O Diodo Schottky também é conhecido como diodo portador quente ou diodo de barreira quente. O diodo Schottky é formado pela junção de um semicondutor com um metal. As vantagens de um diodo Schottky sobre um diodo normal são: ele tem uma queda de tensão direta muito baixa e velocidade de comutação muito rápida, logo é um semicondutor que fornece comutação muito rápida entre estados de condução direta e reversa.

Construção: O diodo Schottky é formado colocando-se um filme metálico em contato direto com um semicondutor. O metal, que pode ser platina, tungstênio, cromo, entre outros, é usualmente depositado sobre um semicondutor do tipo N, devido a maior mobilidade dos elétrons em relação às lacunas. Nesse sentido, a camada metálica representa o ânodo e a camada semicondutora o cátodo.

A combinação da camada de metal com o semicondutor do tipo N também é conhecida como junção M-S (Metal-Semicondutor), e o ponto onde esses dois materiais se encontram é chamado de Barreira Schottky – batizada em homenagem ao físico alemão Walter H. Schottky.

A folha de dados do Diodo Schottky 1N5820 está disponível em: 24_05_12 Diodo Schottky 1N5820.

5 - Diodo Shockley

Diodo Shockley é um diodo de camada PNPN. Sua construção é quase a mesma de um tiristor sem o terminal de gate. Diodo Shockley tem duas junções PN. Além disso, pode ter várias junções PN. Até que a tensão aplicada cruze a tensão disparada, ela não permite o fluxo de corrente. Uma vez que a tensão aplicada cruze a tensão disparada, sua resistência diminui para baixo e a corrente inicia o fluxo. 

Este dispositivo foi desenvolvido pelo físico estadounidense William Bradford Shockley (1910-1989), depois de abandonar os Laboratórios Bell e fundar Shockley Semiconductor. Foram fabricados por Clevite-Shockley. Shockley foi o descobridor do transístor pelo que obteve o Prêmio Nobel de Física em 1956.

6 - Diodo Gunn

Os diodos Gunn são projetados apenas com material semicondutor tipo n. Dois materiais do tipo n são unidos para formar uma região de depleção entre eles. A região de depleção de materiais do tipo n é muito pequena. Quando uma tensão direta é aplicada, a corrente aumenta e atinge um nível de pico. Então, à medida que a tensão direta aumenta ainda mais, a corrente começa a diminuir exponencialmente, conforme mostrado no gráfico abaixo, isso é chamado de resistência diferencial negativa (Efeito Gunn). 

Os diodos Gunn também são chamados de dispositivos de elétrons transferidos. No estado de condução, estes produzem sinais de RF de micro-ondas. Os diodos Gunn são usados ​​como osciladores em amplificadores de microondas.

Construção: O diodo Gunn tem uma característica bastante particular: é construído apenas com semicondutor tipo N, ao contrário do par PN. São construídos com três camadas. A camada central tem um nível de dopagem menor. 

O dispositivo exibe característica de resistência negativa. O material semicondutor pode ser arsenieto de gálio (GaAs) ou nitreto de gálio (GaN), este último para frequências mais elevadas.

O efeito Gunn foi descoberto no início da década de 1960, o cientista da IBM, J.B. Gunn, em certos semicondutores como o Arsenieto de Gálio.

A folha de dados do Diodo GUNN MG1001 está disponível em: 24_10_06 GUNN Diode MG1001_1060.

7 - Diodo Laser

Os diodos laser são uma espécie de diodo emissor de luz. A sigla 'laser' significa Amplificação de Luz por Emissão Estimulada de Radiação. A junção PN de um diodo laser possui extremidades polidas. Quando polarizada diretamente, a junção emite fótons e então os fótons emitidos são refletidos para frente e para trás entre as extremidades polidas do diodo. Como resultado, mais pares elétron-buraco são gerados. Sua recombinação produz mais fótons em fase com o fóton anterior. Isto leva à geração de um feixe de laser a partir da região semicondutora do diodo, monocromático e monofásico. O feixe de laser emitido pode estar na região visível ou infravermelha. Esses diodos também são conhecidos como injeção, semicondutores e lasers de diodo. Os diodos laser são usados ​​em comunicação por fibra óptica, impressoras a laser, leitores de disco óptico, sistemas de detecção de intrusão, aplicações de controle remoto e leitores de código de barras.

Construção: Um diodo laser é um dispositivo semicondutor feito de dois materiais diferentes. Um material P, o outro material N, intercalados. A polarização elétrica direta através da junção PN faz com que as respectivas lacunas e elétrons de lados opostos da junção se combinem, emitindo um fóton no processo de cada combinação. As superfícies da área da junção (cavidade) têm um acabamento espelhado. A polarização elétrica para a junção precisa ser uma fonte de corrente fixa estável, de baixo ruído e sem transientes.

O primeiro diodo laser foi demonstrado em 1962 por dois grupos de norte-americanos liderados por Robert N. Hall da General Electric e por Marshall Nathan no TJ Watson da IBM.

8 - Diodo Varactor (Varicap)

Os diodos Varactor funcionam como um capacitor variável, por isso esses diodos também são chamados de diodos varicap. Eles são conectados por meio de polarização reversa em um circuito de tensão constante. Sua especialidade é que sua camada de depleção pode ser aumentada ou diminuída variando a tensão reversa aplicada. A mudança na camada de depleção altera a capacitância do diodo. A capacitância de um diodo varactor pode variar para valores muito altos. Esses diodos são usados ​​em osciladores controlados por tensão, capacitores controlados por tensão, multiplicadores de frequência, amplificadores paramétricos, loops de bloqueio de fase e transmissores FM.

Construção: O Diodo Varactor é formado por semicondutores do tipo P e do tipo N e polarização reversa é aplicada a ele. Os portadores majoritários em um semicondutor do tipo N são elétrons e os portadores majoritários em um semicondutor do tipo P são buracos. Na junção, os elétrons e buracos se recombinam. Devido a isso, íons imóveis se acumulam na junção. E nenhuma corrente pode fluir mais devido aos portadores majoritários.

Assim, a região de depleção é formada. A região de depleção é chamada assim porque é depletada de portadores de carga, ou seja, a maioria dos portadores está ausente na região de depleção. Isso funciona como uma camada dielétrica e semicondutores do tipo P e N funcionam como placas de um capacitor.

A folha de dados do Diodo Varicap BB405B está disponível em: 24_10_08 Varicap Diode BB405B.

9 -Diodo Túnel

Os diodos túnel são diodos semicondutores fortemente dopados – 1000 vezes mais do que um diodo de sinal grande. Esses diodos usam um fenômeno quântico chamado tunelamento ressonante. Esses diodos exibem uma estranha resistência negativa em suas características diretas. Quando polarizada diretamente, a corrente aumenta com a tensão e atinge um pico. Isso é chamado de corrente de pico, e a tensão neste ponto é chamada de tensão de pico. Então, com o aumento da tensão, a corrente diminui e cai para um ponto baixo denominado corrente de vale. A tensão neste ponto é chamada de tensão de vale. Ao aumentar a tensão aplicada além da tensão de vale, a corrente aumenta exponencialmente sem qualquer queda adicional. 

Esses diodos têm um tempo de comutação muito rápido da ordem de nano segundos. Sua resposta transitória é limitada apenas pela capacitância da junção e pela capacitância do fio parasita. Os diodos túnel são usados ​​como interruptores de alta velocidade em osciladores e amplificadores de micro-ondas. É possível sintonizar esses diodos tanto eletricamente quanto mecanicamente.

Construção: Díodos Túnel são diodos de junção PN com elevadas concentrações de impurezas (dopagem) em ambas as camadas. Nesta situação, a região de depleção é muito estreita, na faixa de "algumas dezenas de átomos" de espessura. A proximidade das partes ativas das camadas permite o efeito túnel. O resultado é o comportamento de resistência negativa, isto é, a corrente diminui com o aumento da tensão, em uma parte da curva de polarização direta.

A característica de resistência negativa permite a construção de osciladores simples como o circuito da figura acima. A elevada dopagem faz com que a maior parte dos portadores sejam lacunas e elétrons que têm ação bastante rápida. Assim, pode operar em frequências elevadas.

Os diodos túnel são pouco usados atualmente. As principais desvantagens são a baixa potência e o custo, fatores com vantagem em outras tecnologias.

10 - Diodo de corrente constante

Os diodos de corrente constante também são conhecidos como diodos limitadores de corrente e diodos reguladores de corrente. Estes são usados ​​como reguladores de corrente atuais. Eles têm uma construção semelhante a um JFET, mas são um dispositivo de dois terminais. Um diodo de corrente constante possui características diretas, nas quais, inicialmente, a corrente aumenta exponencialmente como um diodo normal. Então, além de um ponto de regulação de corrente, a corrente fica saturada. O diodo atinge a saturação da corrente deixando cair mais tensão nele. Diodos de corrente constante são usados ​​no carregamento de baterias, circuitos de fonte de alimentação e circuitos de diodo laser.

A folha de dados do Diode 1N5283 está disponível em: Constant current diode Diode 1N5283.

11 - Diodo de Recuperação Escalonada

Os diodos de recuperação escalonada ou diodos instantâneos são projetados para operação em alta frequência. Eles também são chamados de diodos snap-off e diodos de armazenamento de carga. Esses diodos são usados ​​​​em multiplicadores de ordem superior e circuitos modeladores de pulso. Quando um sinal senoidal é aplicado a eles, eles armazenam carga no pulso positivo e utilizam essa carga no pulso negativo. O tempo de subida do pulso de corrente permanece igual ao tempo de snap. É por isso que são chamados de diodos de recuperação escalonada. A frequência de corte desses diodos varia entre 200 e 300 GHz. Quanto maior for a frequência do sinal, melhor será a sua eficiência.

12 - Diodo de Supressão de tensão transitória

Os diodos de Supressão de tensão transitória são semelhantes aos diodos Zener. Eles são usados ​​para fixar tensões transitórias e são projetados para oferecer baixa impedância em resposta a uma tensão transitória, entrando imediatamente na região de ruptura da avalanche. O tempo de resposta do diodo é em pico segundos. Esses diodos são projetados para ter uma tensão de fixação mínima. Os diodos de supressão de tensão são usados ​​em diversas aplicações, envolvendo principalmente processamento de sinais ou comunicação de dados.

13 - Diodo Zener

O Zener é um diodo de silício fortemente dopado que foi construído para operar em zonas de ruptura, em homenagem ao seu inventor, Dr. Clarence Melvin Zener . É usado como regulador de tensão. Sendo um elemento tão preciso, sua principal aplicação é regular a tensão (alcançar um valor de tensão muito exato) que atinge um determinado componente, como um resistor de carga. Além disso, se a tensão da fonte for inferior à do diodo, ele não poderá realizar sua regulação característica. A corrente que passa pelo zener nessas condições é chamada de corrente reversa (Iz).

Quando o diodo é polarizado reversamente, uma pequena corrente flui através dele, chamada corrente de saturação IS, esta corrente permanece relativamente constante enquanto aumentamos a tensão reversa até que seu valor atinja VZ, chamada tensão Zener (que não é a tensão de ruptura). , para o qual o diodo entra na região de colapso. A corrente começa a aumentar rapidamente devido ao efeito avalanche. Nesta região, pequenas mudanças na tensão produzem grandes mudanças na corrente. O diodo zener mantém a tensão praticamente constante entre suas extremidades para uma ampla faixa de corrente reversa. É chamada de zona de ruptura acima de Vz. Antes de chegar a Vz, o zener NÃO conduz, enfim é um regulador de tensão.

© Direitos de autor. 2004: Gomes; Sinésio Raimundo. Última atualização: 15/04/2024