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Golberi de Salvador Ferreira, Dr. - 2005 -

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1. HISTÓRICO DA ELETRÔNICA02
2. COMPONENTES PASSIVOS04
3. SEMICONDUTORES06
4. DIODO SEMICONDUTOR1
5. DIODOS ESPECIAIS21
6. CIRCUITOS COM DIODOS29

OBS: Este material é o resultado de uma compilação de trabalhos realizados por diversos professores desta Instituição, aos quais transmitimos nossos agradecimentos.

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1. HISTÓRICO DA ELETRÔNICA

1904: primeira válvula (diodo)

! Criada pelo cientista John Ambrose Flemming; ! Propiciou um avanço na criação de outros dispositivos e circuitos que permitiram a execução de muitas tarefas que estavam sendo descobertas pelo homem naquela época;

! Foi utilizada até meados da década de 80, sendo hoje um dispositivo raro, encontrado em rádios, televisores e aparelhos de som muito antigos;

! Porém, muitos dispositivos que trabalham em freqüências muito altas e que são ainda muito utilizados, derivam da válvula;

! A válvula diodo é composta por duas placas metálicas, colocadas numa cápsula de vidro em vácuo. Um filamento aquece uma das placas polarizada negativamente, denominada cátodo, gerando um fluxo de elétrons (corrente elétrica Ι) que atinge a segunda placa polarizada positivamente, denominada ânodo, conforme Figura 1.1.

Figura 1.1 – Válvula diodo polarizada

! Invertendo-se a polarização, fazendo-se com que o cátodo fique polarizado positivamente em relação ao ânodo, a corrente elétrica deixa de circular pela carga RL.

1908: válvula tríodo

! DeForest acrescentou à válvula diodo uma terceira placa entre o cátodo e o ânodo, denominada de grade;

! A grade passou a exercer um controle do fluxo de elétrons, criando a possibilidade de amplificar sinais elétricos. Esta válvula foi chamada de tríodo.

A válvula tríodo juntamente com a válvula diodo, foram as responsáveis pelo surgimento das transmissões sem fio, radiotransmissão. A partir daí, a busca passou a ser a de melhorar o desempenho do circuito e, para isso, era necessário desenvolver uma tecnologia para otimizar os dispositivos.

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Década de 20 ! A teoria dos semicondutores surge como promessa tecnológica.

Década de 40 ! Desenvolve-se a física do estado sólido, que investiga a estrutura, as propriedades e o comportamento elétrico dos semicondutores;

! Surge o diodo semicondutor, que substitui a válvula diodo, pois consome uma quantidade menor de energia e tem dimensões menores;

! Em seguida, surge o transistor, substituindo a válvula tríodo, e outros dispositivos que foram criados a partir da necessidade imposta pelos novos aparelhos que surgiram, e possibilitando o surgimento de outros mais.

Dentre muitas outras aplicações, a eletrônica pode ser usada para: ! a transmissão de sinais em tempo real;

! o desenvolvimento de equipamento bélico (construção de armas e de sistemas de controle de mísseis); ! o desenvolvimento de sistemas de controle, que podem substituir o homem pela máquina de forma irracional; ! salvar vidas;

! diagnosticar doenças e desenvolver métodos de cura;

! servir ao lazer das pessoas.

Portanto, ter o domínio da técnica implica, não apenas em saber manejá-la, mas também em compreender para quem ou para que ela servirá.

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2. COMPONENTES PASSIVOS

Um bipolo elétrico é um dispositivo qualquer que possui dois pólos ou terminais, aos quais podem ser ligados outros bipolos, formando um circuito elétrico. Genericamente, um bipolo pode ser representado pela Figura 2.1.

Figura 2.1 – Bipolo elétrico genérico

Os bipolos elétricos podem ser classificados em geradores ou receptores, em função dos sentidos convencionais de tensão e corrente relacionados a eles.

Um bipolo gerador é aquele que transforma um tipo de energia qualquer em energia elétrica. Ele é, portanto, o elemento ativo de um circuito. Exemplos:

Pilha ! transforma energia química em elétrica Dínamo ! transforma energia mecânica em elétrica

No bipolo gerador, a corrente tem o sentido do potencial menor para o maior, ou seja, coincide com o sentido da tensão sobre ele, como apresentado na Figura 2.2.

Figura 2.2 – Bipolo gerador

Um bipolo receptor é aquele que transforma energia elétrica em um tipo de energia qualquer, sendo o elemento passivo de um circuito.

Exemplos:

Resistência ! transforma energia elétrica em térmica Motor ! transforma energia elétrica em mecânica

No bipolo receptor, a corrente tem o sentido do potencial maior para o menor, ou seja, contrário ao sentido da tensão sobre ele, como apresentado na Figura 2.3.

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Figura 2.3 – Bipolo receptor

Em eletricidade e eletrônica, utilizam-se os símbolos específicos dos bipolos para representá-los nos circuitos elétricos. A Figura 2.4 mostra alguns símbolos de bipolos receptores.

Figura 2.4 – Símbolos de alguns bipolos receptores

Num circuito elétrico, é possível que um gerador comporte-se como um receptor, em função dos sentidos de corrente e tensão impostos pelo circuito, ou seja, ele pode ser considerado um receptor ativo.

Já, um receptor nunca pode comportar-se como um gerador, por ser um elemento passivo.

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3. SEMICONDUTORES

Na Figura 3.1 apresenta-se o modelo atômico de Bohr. Neste modelo, o átomo está dividido em duas partes: o núcleo e a eletrosfera. No núcleo encontram-se os prótons e os nêutrons. Já na eletrosfera estão os elétrons, distribuídos em sete camadas eletrônicas ou bandas de energia: K, L, M, N, O, P e Q.

Figura 3.1 - Modelo atômico de Bohr

Cada banda de energia pode conter um número máximo de elétrons, como apresentado na Tabela 1.

Tabela 1: Número máximo de elétrons nas bandas de energia Banda de energia K L M N O P Q

N.o máximo de elétrons 2 8 18 32 32 18 2

Quanto maior a energia do elétron, maior é o raio de sua órbita (Q > P > O >),

Figura 3.2, e mais fracamente ele está ligado ao núcleo.

Figura 3.2 - Níveis de energia de um átomo

Um elétron na sua órbita gira com uma certa velocidade (energia cinética), fazendo com que sobre ele exista uma força centrífuga, Fc. Além disso, o núcleo também exerce sobre este elétron uma força, denominada de força de atração eletrostática Fe. O equilíbrio destas duas forças torna o elétron estável na sua órbita, Figura 3.3.

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Figura 3.3 - Estabilidade de um elétron numa determinada órbita

A última órbita de um átomo é denominada de banda de valência. A valência de um átomo é o número de elétrons da banda de valência. São estes elétrons que farão ligações químicas para completar o número máximo de elétrons da banda de valência, de modo a tornar o átomo estável.

Os elétrons que estão na banda de valência têm mais facilidade para sair do átomo, quando recebem um acréscimo de energia, sob a forma de luz ou calor. Ao receberem este acréscimo de energia, os elétrons tornam-se livres, saem da banda de valência e dirigem-se para a banda de condução, onde sob a ação de um campo elétrico formam a corrente elétrica (I), Figura 3.4.

Figura 3.4 – Banda de valência e banda de condução

Entre as bandas de valência e de condução há uma região onde não é possível existir elétrons, denominada de banda proibida, Figura 3.5. Esta banda proibida define o comportamento elétrico do material. Assim, quanto maior a banda proibida, maior será a quantidade de energia necessária para retirar um elétron da banda de valência e levá-lo para a banda de condução.

Figura 3.5 – Materiais isolantes, condutores e semicondutores

Os materiais semicondutores são sólidos ou líquidos, capazes de mudar com certa facilidade de sua condição de isolante para a de condutor. Isto é, podem sofrer grandes alterações em sua condutividade, pois a quantidade de energia necessária para retirar um

@2005 Golberi de Salvador Ferreira, Dr. 8 elétron da banda de valência e levá-lo para a banda de condução é intermediária entre a energia necessária para o isolante e o condutor. Em baixas temperaturas, os semicondutores puros comportam-se como isolantes. Sob temperaturas mais altas, ou luz ou com a adição de impurezas, porém, pode ser aumentada drasticamente a sua condutividade, podendo-se alcançar níveis que se aproximam dos metais.

Na Figura 3.6, apresenta-se os átomos de dois materiais semicondutores intrínsecos ou puros, o silício (Si) e o germânio (Ge). Os semicondutores intrínsecos ou puros são aqueles encontrados em estado natural.

Figura 3.6 - Átomos de silício e germânio

Tanto o silício quanto o germânio são elementos tetravalentes, ou seja, que possuem quatro elétrons na camada de valência, Figura 3.7. Permitindo, assim, que os seus átomos façam quatro ligações covalentes ou de compartilhamento de elétrons, para tornarem-se estáveis.

Figura 3.7 - Representação plana dos semicondutores

Existem, ainda, os semicondutores I-V que são formados por um elemento trivalente, o GaAs (Arseneto de Gálio) e por um elemento pentavalente, InP (Fosfeto de Índio). Porém, o material semicondutor intrínseco mais utilizado é o silício que é abundante na natureza, sendo encontrado nos cristais de quartzo (areia).

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Num determinado instante quando recebe um acréscimo de energia e sai da banda de valência, o elétron livre deixa em seu lugar uma lacuna. Esta lacuna é um íon positivo, Figura 3.8.

Figura 3.8 - Formação de um íon positivo

No instante seguinte, Figura 3.9, verifica-se que a lacuna também se move. Porém, a movimentação da lacuna ocorre sempre no sentido contrário à movimentação do elétron. Este fenômeno ocorre sempre que existe a condução elétrica no material semicondutor. Num material condutor o movimento das lacunas é desprezível.

Figura 3.9 - Movimento da lacuna

Para a maioria das aplicações não há elétrons livres suficientes num semicondutor intrínseco para produzir uma corrente elétrica utilizável. Portanto, para obter-se esta corrente elétrica utilizável foram criados os semicondutores do tipo N e P.

Consegue-se um semicondutor tipo N acrescentando-se ao cristal silício puro impurezas, ou elementos, pentavalentes. Desta forma, obtém-se quatro ligações covalentes e um elétron livre, Figura 3.10. No semicondutor tipo N os elétrons são os portadores de carga majoritários e as lacunas os minoritários.

Figura 3.10 – Semicondutor tipo N: cristal de silício com impureza pentavalente

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Para obter-se um semicondutor tipo P, acrescenta-se ao cristal de silício puro impurezas trivalentes. Assim, têm-se três ligações covalentes e uma lacuna, Figura 3.1. Neste caso, as lacunas são os portadores de carga majoritários e os elétrons minoritários.

Figura 3.1 – Semicondutor tipo P: cristal de silício com impureza trivalente

O processo de introduzir átomos de impurezas num cristal de silício, de modo a aumentar tanto o número de elétrons livres quanto de lacunas, chama-se dopagem. Quando um cristal de silício foi dopado, ele passa a ser chamado de semicondutor extrínseco.

1. Qual é a órbita de valência de um átomo e o que é valência? 2. O que é e como é formada a banda de condução de um átomo? 3. O que é banda proibida? 4. O que define o comportamento elétrico dos materiais isolantes, condutores e semicondutores? Justifique. 5. O que são as lacunas e como elas se movimentam num material semicondutor? 6. O que são elementos trivalentes, tetravalentes e pentavalentes? 7. Defina material semicondutor. 8. Como o Silício é transformado em semicondutor tipo N e P? 9. Quais as principais diferenças entre o material semicondutor e o material condutor? 10. Que faz com que os elétrons permaneçam estáveis em órbitas bem determinadas? 1. É correto afirmar que os semicondutores tipo N e P estão, respectivamente, carregados negativamente e positivamente? Por quê?

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4. DIODO SEMICONDUTOR

A união física de um semicondutor tipo P com um semicondutor tipo N forma uma junção PN, Figura 4.1. Esta junção PN recebe o nome de diodo semicondutor.

Figura 4.1 – Diodo semicondutor

Na formação da junção PN ocorre o processo de recombinação, no qual os elétrons do lado N mais próximos à junção migram para o lado P, Figura 4.2. Este processo ocorre até que haja o equilíbrio eletrônico e a estabilidade química, ou seja, quatro ligações covalentes em cada átomo.

Figura 4.2 - Recombinação elétron – lacuna

Durante o processo de recombinação forma-se, próximo à junção, a camada de depleção, Figura 4.3. Nesta camada há a ausência de portadores majoritários.

Figura 4.3 - Camada de depleção

Quando termina o processo de recombinação a camada de depleção fica ionizada, formando a barreira de potencial (Vγ), Figura 4.4. Para o silício Vγ = 0,7V e para o germânio, Vγ = 0,3V.

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Figura 4.4 - Barreira de potencial

Na Figura 4.5 apresenta-se o símbolo elétrico do diodo semicondutor e o componente eletrônico, propriamente dito. No lado P do diodo semicondutor conecta-se um terminal que recebe o nome de ânodo (A). Já no lado N, o terminal é denominado de cátodo (K).

No símbolo elétrico do diodo semicondutor o lado que tem o traço transversal, corresponde ao cátodo. Logo, o outro lado é o ânodo.

Figura 4.5 - Símbolo elétrico do diodo semicondutor

No componente eletrônico o lado que contém o anel cinza, ou prateado, é o cátodo. Consequentemente, o outro lado é o ânodo.

Polarização direta Na polarização direta, Figura 4.6, conecta-se o terminal positivo da fonte de alimentação (VCC) ao ânodo do diodo e o terminal negativo, ao cátodo.

Desde que VCC > Vγ, os elétrons livres do lado N, repelidos pelo terminal negativo de

VCC, atravessam a barreira de potencial e migram para o lado P. Alguns destes elétrons livres recombinam-se com as lacunas, mas a maioria é atraída pelo terminal positivo de VCC. Estabelece-se, assim, um fluxo de elétrons livres do cátodo para o ânodo, que é o sentido real de corrente. Levando-se em conta o sentido convencional, há uma corrente elétrica (ID) do ânodo para o cátodo de alta intensidade.

Figura 4.6 - Polarização direta do diodo

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Logo, o diodo comporta-se como um condutor e apresenta uma resistência direta ou de condução (RD) muitíssimo pequena, Figura 4.7.

Figura 4.7 - Comportamento do diodo na polarização direta

Polarização reversa

Na polarização reversa, Figura 4.8, conecta-se o terminal positivo de VCC ao cátodo do diodo e o terminal negativo, ao ânodo.

Nesta situação os elétrons livres do lado N, são atraídos pelo terminal positivo de VCC, deixando nos seus lugares as lacunas. Já no lado P, as lacunas são atraídas pelo terminal negativo de VCC, ficando em seus lugares íons negativos. Portanto, há um aumento da barreira de potencial, Vγ = VCC. Nesta situação, muito poucos elétrons livres conseguem atravessar a barreira de potencial e estabelecer um fluxo de elétrons do cátodo para o ânodo.

Consequentemente, a corrente elétrica convencional do ânodo para o cátodo é muito pequena.

Esta corrente chamada de corrente reversa ou de fuga (IR), pois flui do terminal negativo de VCC para o positivo, é desprezível.

Figura 4.8 - Polarização reversa do diodo

Portanto, na polarização reversa o diodo comporta-se como um circuito aberto, ou seja, apresenta uma resistência reversa (R) muitíssimo alta, Figura 4.9.

Figura 4.9 - Comportamento do diodo na polarização reversa

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