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OUTROS DISPOSITIVOS SEMICONDUTORES DE DOIS TERMINAIS
ELETRÔNICA ANALÓGICA
ENG.º EDERSON ZANCHET
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INTRODUÇÃO
Exitem diversos dispositivos semicondutores de dois terminais com aplicações e
características diferenciadas do diodo retificador podemos citar entre eles:
a. Diodo LED;
b. Diodo de Shottkey;
c. Diodo túnel;
d. Diodo Laser;
e. Varactor;
f. Fotodiodo;
g. Célula Solar;
h. Célula Fotocondutiva;
i. Termistor,
OPTOELETRÔNICA
Trata-se do estudo e aplicação de equipamentos eletrônicos que fornecem,
detectam e controlam luz.
No que remete a utilização da luz, inclui-se todas as faixas do espectro desde
formas invisíveis de radiação como raios gama, raios - X, ultravioleta e
infravermelho, como também a faixa de luz.
Aparelhos optoeletrônicos são transdutores elétrico ótico ou ótico para
elétrico, ou instrumentos que usam tais aparelhos em sua operação.
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DIODO EMISSOR DE LUZ (LED)
LED é a sigla em inglês para Light Emitting Diode, ou Diodo
Emissor de Luz.
Sua funcionalidade básica é a emissão de luz em locais e
instrumentos onde se torna mais conveniente a sua utilização no
lugar de uma lâmpada. Os Led’s tem tido grande aplicação na
indústria de modo geral, devido a boa relação de luminosidade e
consumo.
Como o diodo led é um dispositivo de junção PN, sua
característica de polarização direta é semelhante à de um diodo
semicondutor. Sendo polarizado, a maioria dos fabricantes adota
um "código" de identificação para a determinação externa dos
terminais A (ânodo) e K (cátodo) dos led’s.
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Figura 1 – Corte e indicacao de
polaridade LED
DIODO EMISSOR DE LUZ (LED)
Ao contrário dos diodos comuns não é feito de silício, que é um material
opaco, e sim, de elementos como gálio, arsênico e fósforo. É amplamente usado
em equipamentos devido a sua longa vida, baixa tensão de acionamento e boa
resposta em circuitos de chaveamento.
De maneira ampla, os diodos emissores de luz operam com nível de tensão
na faixa de 1,6 a 3,3V, sendo compatíveis com os circuitos de estado sólido.
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DIODO EMISSOR DE LUZ (LED)
Observa-se que a tensão é dependente do comprimento da onda emitida. Assim,
os led’s:
a.Infravermelhos geralmente funcionam com menos de 1,5V,
b.Vermelhos com 1,7V;
c.Amarelos com 1,7V ou 2.0V,
d.Verdes entre 2.0V e 3.0V,
e.Azuis, violeta e ultravioleta geralmente precisam de mais de 3V.
A potência necessária está na faixa típica de 10 a 150 mW, com um tempo de
vida útil de 100.000 ou mais horas.
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DIODO EMISSOR DE LUZ (LED) - SIMBOLOGIA
Da mesma forma que o diodo retificador, o LED por tratar-se de uma junção PN,
tem simbologia semelhante sendo acrescido a indicação da emissão de luz através de
setas conforme a Figura 2.
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Figura 2 – Simbologia Led
LED1
DIODO EMISSOR DE LUZ (LED) – RESISTOR LIMITADOR
Como o diodo, o LED não pode receber tensão elétrica diretamente entre seus
terminais, caso isso ocorre-se, o diodo teria seu comportamento como uma chave em
curto tendendo a elevar o nível de corrente elétrica para o infinito, dessa forma se faz
necessário a utilização de um sistema limitador, normalmente emprega-se uma
resistência em serie com o LED conforme apresentado na figura 3.
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Figura 3 – Circuito com resitor
limitador
R1
LED1V1
1 2
0
DIODO EMISSOR DE LUZ (LED) – FOLHA DE DADOS
Para obtermos o valor da resistência limitadora serão necessários alguns dados
característicos, como tensão de operação característica em função do comprimento de
onda. Os dados podem ser obtidos através da folha de dados (datasheet) do
componente, O modelo 383-2UBC/C470 da EVERLIGHT, de acordo com a figura 4:
Pagina 9 Figura 4 – Características Elétricas modelo 383-2UBC/C470
DIODO EMISSOR DE LUZ (LED) – EXEMPLO
Sabendo o valor da tensão da fonte e conhecendo as características do LED
podemos obter o ponto de operação do mesmo. Partindo de uma fonte de 15Vcc e
sabendo que a tensão de operação do LED é VD=VF=3.5V e a corrente neste ponto
será 20mA, temos:
Pagina 10
575
10.20
5.3153
R
R
it
VDVR
FOTO DIODO - FUNDAMENTOS
O fotodiodo é um dispositivo semicondutor de junção PN cuja região de operação
é limitada pela região de polarização reversa e caracteriza-se por ser sensível à luz.
A aplicação de luz à junção resultará em uma transferência de energia das ondas
luminosas incidentes (fótons) para a estrutura atômica, resultando em um aumento do
número de portadores minoritários e um aumento do nível da corrente reversa. A
corrente retornará a zero somente se for aplicada uma polarização positiva igual a Vo.
Em resumo, podemos dizer então que um fotodiodo é um dispositivo que converte
a luz recebida em uma determinada quantidade de corrente elétrica.
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FOTO DIODO - FUNDAMENTOS
A corrente negra é a corrente que existirá sem nenhuma iluminação aplicada.
A corrente reversa e o fluxo luminoso variam quase que linearmente, ou seja, um
aumento na intensidade luminosa resultará em um aumento semelhante na corrente
reversa. Podemos admitir que a corrente reversa é essencialmente nula na ausência
de luz incidente.
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FOTO DIODO - SIMBOLOGIA
Seguindo os mesmos moldes da simbologia do LED na figura 5 temos a
simbologia do foto diodo.
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Figura 5 – Simbologia do Foto diodo
FOTO DIODO - SIMBOLOGIA
No gráfico da figura 6
é apresentada a relação
de corrente elétrica VS
luminosidade.
Pagina 14Figura 6 – Relação da Corrente elétrica pela quantidade de luz gerada
ACOPLADORES OPTICOS
Um acoplador ótico (também chamado isolador ótico ou isolador com
acoplamento ótico) contém um IRED (Infra Red Emitter Diode) e um fotodetector em
um mesmo bloco.
Estes dispositivos são encapsulados de tal maneira que a energia irradiada por
um IRED é transmitida eficientemente ao detector através de um meio dielétrico de
isolação e rodeado por um material opaco, o qual proporciona proteção contra a luz
ambiente. Na figura 7 podemos observar o diagrama de um acoplador optíco.
Pagina 15 Figura 7 – Diagrama básico acoplador optíco
ACOPLADORES OPTICOS
A grande vantagem é que não existe nenhuma conexão elétrica entre a entrada e
a saída. Com um acoplador ótico, o único contato entre a entrada e a saída é o feixe de
luz. Por isso, é possível obter um isolamento resistivo entre os dois circuitos da ordem
de MΩ.
Um isolamento desse tipo é útil em aplicações de alta tensão nas quais os
potenciais dos dois circuitos podem diferir em milhares de volts conforme com a figura
8 onde podemos observar a aplicação em um circuito como estrutura física. .
Pagina 16 Figura 8 – Circuito Isolado e modelo de encapsulamento
ACOPLADORES OPTICOS
Algumas aplicações típicas dos fotoacopladores são, por exemplo, a prevenção
de laços fechados de terra, deslocamento de níveis de corrente contínua e controle
lógico de circuitos de potência.
A capacidade de isolamento de um fotoacoplador de transferir eficientemente o
sinal desejado é definido como Relação de transferência de corrente (Currente
Transfer Ratio- CTR). Esta relação depende da eficiência radiativa, da distância entre o
IRED e o detector, da área de superfície e a sensibilidade do detector e o ganho de
amplificação do mesmo.
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ACOPLADORES OPTICOS
A capacidade acoplador optíco em proporcionar proteção de isolamento é
geralmente expressa em relação a sobretensão transitória de isolação.
Sobretensão é a medida da solidez da cápsula e da rigidez dielétrica dos
materiais isolantes. Os três parâmetros críticos de isolação são:
a. Resistência de isolação;
Valor ôhmico de resistência em corrente contínua entre a entrada e saída do acoplador.
b. Capacitância de isolação;
Capacitância parasita do dielétrico desde a entrada até a saída. Os valores típicos variam de 1 e 2,5 pF.
c. Rigidez dielétrica.
Esta relacionado ao valor de tensão que o material suporta antes do ponto de ruptura.
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ACOPLADORES OPTICOS
Existem diversos modelos de acordo com a necessidade de cada projeto, entre
eles podemos citar:
a. Fotoacoplador a base de fotodiodo;
b. Fotoacoplador a base de Transistor;
c. Fotoacoplador a base de Triac;
d. Fotoacoplador a base de Transistor de Darlington;
e. Fotoacoplador a base de MOSFET's;
Como mencionado existem diversos modelos, com características de rididez
dielétrica, capacidade de transferência, frequência de chaveamento e capacidade de
isolação, pontos que devem ser levados em conta na escolha do tipo de acoplamento.
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DIODO DE SCHOTTKY - FUNCIONAMENTO
Seu nome é uma homenagem ao físico alemão Walter Hermann Schottky. Diodo
Schottky é um tipo de diodo que se utiliza o efeito Schottky na semicondução. Sua construção é
diferente da junção PN convencional.
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O semicondutor normalmente empregado
apresenta característica tipo N, entretanto em alguns
casos é utilizado material tipo P. Na Figura 9 temos
exemplo da estrutura do diodo de schottky, onde
tem-se a junção metal-semicondutor, de acordo com
o metal empregado o componente apresentará
características diferentes, níveis de tensão e faixa de
frequência.
Figura 9 – Estrutura interna do diodo schottky
DIODO DE SCHOTTKY – CURVA CARACTERÍSTICA
De acordo com a forma construtiva e o emprego de materiais metálicos a injeção de outros
materiais para processo de dopagem, esse como possuem um nível energético maior são
conhecidos como “portadores quentes”, devido esse arranjo de metal – semicondutor as
característivas se assemelham ao diodo de germânio.
Pagina 21 Figura 10 – Curva característica do diodo schottky
A figura 10 apresenta um comparativo da curva
do diodo retificador comum com diodo de schottky,
observa-se que na regiao reversa a capacidade de
bloqueio é inferior a do diodo retificador comum,
embora essa caracteristica foi melhorada em
diversos componentes.
A capacidade de condução vai até 75ª, mas há
versões até 100A.
DIODO DE SCHOTTKY - APLICAÇÕES
A principal aplicação dessa estrutura é em sistemas com chaveamento de alta frequência
devido a sua capacidade de recuperação (frequência de chaveamento), também tem sido
aplicado em fontes de potência de baixa tensão/alta corrente, em conversores CA→CC (20KHz),
radares, logica TTL para computadores, sistemas de comunicação, instrumentação e conversores
A/D e D/A [2].
Para aplicação em fontes pode suportar uma corrente de 50ª para uma tensão direta de
0,6V (25°C) e tempo de recuperação de 10ns, enquanto o diodo comum ira operar proximo de
1,1V e tempo de recuperação que vai de 20 a 30ns, a diferença parace despresível, mas se
obtivervos o valor da potência Pschottky = 0,6*50 = 30W e Pretificador = 1,1*50 = 55W, quando
comparo em termos de efeciência o primeiro apresenta grande vantagem [2].
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DIODO DE SCHOTTKY
A figura 11 apresenta simbologia para diodo de schottky, embora exista variações do
simbolo. Na figura 12 temos dois modelos de encapsulamento utilizados, nota-se semalhança
com diodo retificador comum.
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Figura 12 – Modelos de encapsulamento do diodo schottky
Figura 11 – Simbologia do diodo de Schottky
DIODO VARACTOR- FUNDAMENTOS
O varactor, capacitância variável com a tensão, varicap, epicap ou também diodo de
sintonia) é amplamente utilizado nos receptores de televisão, receptores de FM e outros
equipamentos de comunicação e tambémem circuitos resonantes.
Os materias semicondutores P e N comportam-se como as placas de um capacitor e a
camada de depleção funciona como o dielétrico.
Quando um diodo é reversamente polarizado a largura da camada de depleção cresce com
o aumento da tensão reversa, assim a camada de depleção fica mais larga com a tensão reversa,
a capacitância diminui. Isso é equivalente ao afastamento das placas de um capacitor, em termos
básicos a capacitância é controlada pela tensão [1].
Pagina 24Figura 12 – Estrutura Interna do Varactor
DIODO VARACTOR – CURVA CARACTERÍSTICA
A figura 13 apresentatam simbologia utilizada para identificação bem como curva
característiva em termos de tensão reversa e capacitância.
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Figura 13 – Simbologia e Curva característica do Varactor
DIODO VARACTOR – CURVA CARACTERÍSTICA
Segundo o princípio de funcionamento, a capacitância varia de acordo com com a tensão
reversa aplicada sobre o componente, conforme expresso pela equação:
Onde:
k = Constante determinada pelo tipo de material semicondutor;
Vt= potencial de joelho;
Vr= valor do potencial de polarização reverso aplicado;
N=1/2 para junções de liga e 1/3 para junções difusas;
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DIODO VARACTOR – CURVA CARACTERÍSTICA
A figura 14 apresenta um exemplo de circuito com varactor e imagem de um varicap
comercial
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Figura 13 – Circuito ressonante e modelo de Diodo Varactor
DIODO TÚNEL – FUNDAMENTOS
Fabricado com um nível de dopagem que vai
de 100 à 1000 vezes o empregado em diodos
retificadores comum, apresentado por Leo Esaki
em 1958 apresenta características diferenciadas
dos demais devido a regiao negativa existente na
polarização direta, conforme pode-se observar na
figura 14.
Devido a intensa dopagem, a região de
deplecção é muito estreita formando um túnel, e
produzindo portadores com velocidades superiores
a dos diodos comuns o que permite operação em
altas frequências.
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Figura 14 – Curva característiva do diodo tunel
DIODO TÚNEL – FUNDAMENTOS
A característica de resistência negativa
permite a construção de osciladores simples.
Entretanto, os diodos túnel são pouco
usados atualmente. As principais desvantagens
são a baixa potência e o custo, fatores que são
melhor atendidos por outras tecnologias.
Na figura 15 temos simbologia normalmente
utilizada.
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Figura 16 – Diodo túnel
Figura 15 – Simbologia diodo Túnel
DIODO GUNN – FUNDAMENTOS
A sua construção interna é diferente de outros
diodos em que ela consiste apenas de material
semicondutor tipo N-dopado ao passo que a maioria
dos diodos consistem em P e N-dopado regiões.
No diodo Gunn, existem três regiões: dois
deles são fortemente dopado em cada terminal,
com uma fina camada de material levemente
dopado no meio.
Quando uma tensão é aplicada ao dispositivo,
o gradiente elétrico irá ser maior de um lado da
camada média fina a condução ocorrerá como em
qualquer material condutor com corrente
proporcional à tensão aplicada [5].
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Figura 17 – Curva Característiva diodo Gunn
DIODO GUNN – FUNDAMENTOS
É assim denominado em homenagem a J Gunn, descobridor (em 1963) do efeito da
geração de microondas por semicondutores N. Devido à sua capacidade de alta frequência, os
diodos de Gunn são usados principalmente em frequências de microondas e acima. A aplicação
mais comum em osciladores , mas são também utilizados em amplificadores de microondas.
O dispositivo exibe característica de resistência negativa. O material semicondutor pode ser
arsenieto de gálio (GaAs) ou nitreto de gálio (GaN), este último para freqüências mais elevadas.
Podem oscilar em freqüências de cerca de 5 GHz até cerca de 140 GHz. [5]
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Figura 18 – Simbologia e Diodo Gunn
TERMISTORES– FUNDAMENTOS
O termistor apresenta característica de
variação de sua resistência de acordo com a
temperatura, não se trata de um componente de
junção do tipo PN, porém é composto por
Germanio, Silicio ou mistura de óxidos de
cobalto, níquel ou manganês de acordo com o
coeficiente de temperatura desejado.
Principal aplicação em sistemas de
proteção e sensoriamento de temperatura, na
figura 19 podemos observar o termistor e figura
20 a curva característica, o termistor a, R25 =
100Ω, termistor b, R25 = 1KΩ e termistor c, R25=
5KΩ.
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Figura 20 – Curva característica do termistor
Figura 19 – termistor
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] MALVINO, Albert Paul. Eletrônica. Vol. I - 4.ª; Ed. Makron Books: São Paulo, 1995.
[2] BOYLESTAD, R. L. Dispositivos eletrônicos e teoria de circuitos; Ed. Prentice Hall: São
Paulo, 2004.
[3] BERTOLI, Roberto Angelo. Eletrônica; UNICAMP, 2000.
[4] BARBI, Ivo, Eletrônica de Pôtencia – 6ª edição, Ed. Do autor: Florianópolis, 2005.
[5] Diodos Semicondutores II, disponível em
http://www.mspc.eng.br/eletrn/semic_220.shtml#diodo_tunel acesso em 27 ago. 2012.
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EDERSON ZANCHET
Mestrando em Engenharia Elétrica e Informática Industrial - UTFPR
Engenheiro de Controle e Automação - FAG
Departamento de Engenharia – FAG
Docente Disciplina de Eletronica Analógica
www.fag.edu/professores/ederson
