Eletrônica Embarcada Aula 2: Semicondutores:

Os Semicondutores:

Uma das principais razões do uso de materiais semicondutores na eletrônica são suas propriedades. Estas podem ser extremamente alteradas adicionando quantidades pequenas de “impurezas”. Estas impurezas são chamadas dopantes. Um semicondutor dopado pode aumentar sua condutividade.

Os semicondutores intrínsecos e extrínsecos

Um semicondutor intrínseco é aquele puro bastante tal que as impurezas não afetem seu comportamento elétrico. Neste caso, todos os portadores são criados termicamente ou excitados oticamente.Se o número de elétrons é igual ao das lacunas em um semicondutor, ele é chamado intrínseco. A concentração dos portadores é fortemente dependente da temperatura. Em temperaturas baixas, a faixa de valência está completamente cheia, fazendo do material um isolante. Aumentar a temperatura conduz a um aumento no número dos portadores e a um aumento correspondente da condutividade. Este princípio é usado nos termistores. Este comportamento contrasta com o da maioria de metais, que tendem a se tornar menos condutores em temperaturas mais altas. Um semicondutor extrínseco é um que dopado com impurezas para modificar o número e o tipo de portadores livres da carga.

A dopagem tipo N A finalidade do doping tipo N é produzir uma abundância de elétrons livres (ou no "portador") no material. A dopagem tipo P

A finalidade de doping do tipo P é criar uma abundância de lacunas no material. Uma lacuna comporta-se como uma quantidade da carga positiva.

A junção P-N

A junção do P-N é a base de um dispositivo eletrônico chamado um diodo, que permita que as cargas elétricas fluam em somente um sentido.

Representação esquemática de um diodo.

Exemplos de encapsulamentos comerciais de diodos.

Alguns tipos de diodos:

Diodo

Retificador LED

(Light-EmittingDiode)

Diodo Zener

Diodo Schottky

• Diodos Retificadores (P-N) permitem que as cargas elétricas fluam em somente um sentido Feito geralmente do silício ou, mais raramente, do germânio. Apresenta uma queda de tensão na junção na ordem 0,6V para o silício e 0,3V para o germânio. Antes do desenvolvimento de diodos de retificador modernos era o usado selênio. Sua baixa eficiência apresentava uma queda de tensão muito elevada (tipicamente 1.4-1.7V).

• Os LEDs (diodos light-emitting) ou diodos emissores de luz. Com os materiais e a geometria corretos, a junção emite photons e torna-se luz visível. O queda de potencial destes diodos define sua cor, assim os materiais diferentes usados. Ao vermelho associa-se uma queda de 1,2V e 2,4 ao violeta. Primeiramente eram vermelhos amarelos e verdes. Os diodos de freqüência mais elevada (azul) foram desenvolvidos mais tarde. Quanto mais baixa a freqüência da emissão, maior a eficiência, assim para produzir diferentes cores é necessário aumentar a corrente Este efeito é complicado, também pelo fato que o olho humano é o mais sensível ao azul.

• Diodos Zener são feitos para conduzir para ambos os sentidos. No sentido normal de condução da corrente elétrica este funciona como um diodo retificador. Já no sentido inverso, é necessário atingir uma determinada tensão para só a partir desta, começar a conduzir. Este efeito, chamado Zener, ocorre em uma tensão precisamente definida, permitindo que o diodo seja usado como uma referência de tensão de precisão.

• Os diodos de Schottky têm uma queda de tensão muito mais baixa do que a junção normal PN, porque são construídos de metal ao contato do semicondutor. Sua queda de tensão para correntes de aproximadamente 1 miliampère está na ordem de 0.15V a 0,45 V, que o faz útil em diversas aplicações. Podem ser usados como retificadores de baixa perda embora sua corrente reversa seja geralmente muito mais elevada do que nos retificadores convencionais.

• Os fotodiodos têm junções largas e transparentes. Os photons podem “empurrar” elétrons “sobre” a junção, fazendo com que uma corrente flua. Podem ser usados como pilhas solares, e na fotometria.

Similarmente aos diodos, uma terceira região de semicondutor tipo N ou tipo P pode ser acrescentada para dar forma a um dispositivo de três terminais: o transistor de junção bipolar (BJT) que pode ser p-n-p ou n-p-n.

O transistoré um dispositivo de semicondutor do estado sólido que pode ser usado para amplificação, chaveamento, estabilização de tensão, modulação de sinais e as muitas outras funções. Age como uma “válvula” variável que, baseada em sua corrente da entrada (BJT) ou a tensão de entrada (FET), permite que uma quantidade precisa de corrente flua através da fonte de tensão do circuito. Em circuitos analógicos, os transistor são usados nos amplificadores, amplificadores áudio, fontes de alimentação estabilizadas etc. Em circuitos digitais, os transistor funcionam essencialmente como interruptores elétricos. Os circuitos digitais incluem portas da lógica, RAM (memória de acesso aleatório) e microprocessadores.

Representação esquemática dos BJTs (bipolar junction transistor): Tipo PNP e NPN. Como trabalham os transistores?

Há dois tipos básicos de transistor, do transistor de junção bipolar (BJT) e do transistor do field-effect (FET), que trabalham diferentemente.

No transistor bipolar a corrente da “base” (IB) controla a corrente principal (IC).

Nos transistor de efeito de campo (chamados também transistor unipolares) a corrente principal

(ID) é controlada variando a tensão aplicada no “gate” (VG).

Para um transistor bipolar de silício iniciar a condução, a tensão deve ser igual ou ligeiramente maior do que à tensão de 600 mV e 700 mV VBE. Esta tensão aplicada permite um fluxo dos elétrons na junção base-emissor. Por causa do campo elétrico que existe entre a base e o coletor a maioria destes elétrons cruza a junção superior do p-n no coletor para dar

total do transistor , isso é: IE = IB + ICA relação desta corrente de coletor e a corrente de base chamada o ganho. Para um

forma à corrente de coletor, IC. O restante dos elétrons forma a corrente IB. Como a corrente do emissor, IE, é a corrente transistor típico, este ganho (hfe) é geralmente grande (100 vezes ou mais). Os transistores têm diferentes regiões de operação. Na região "linear", a corrente do coletor-emissor é aproximadamente proporcional a corrente de base operando como amplificador. Na operação "saturado", a corrente de base é amplificada a um ponto onde os circuitos externos impeçam que a corrente de coletor cresça, impedindo a linearidade. Nesta situação, uma queda de tensão residual de aproximadamente

100mV a 300mV remanesce entre o coletor e o emissor. Diz-se que um transistor opera "na região corte". Neste caso operam como interruptores eletrônicos.

operação linear:operação não linear: corte

Por causa de sua sensibilidade da temperatura, o BJT pode ser usado medir a temperatura. Suas características nãolineares podem também ser usada para ganho logaritmo.

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