Baixe Introdução à Eletrônica e outras Notas de estudo em PDF para Física, somente na Docsity! E-mail: eliesio O etrr.com.br & ESCOLA TÉCNICA + REZENDE-RAMMEL CURSO TÉCNICO DE MECATRÔNICA ELETRÔNICA APLICA 1 NOME TURMA ANO O SEMICONDUTOR TEORIA DO SEMICONDUTOR A eletrônica atual usa como estrutura básica na confecção de seus componentes os elementos semicondutores. Em princípio, estes elementos adquirem uma série de vantagem em relação a seus precursores [válvulas ou tubos a vácuo] no tratamento de sinais: espaços menores, maior resistência mecânica e maior tempo de funcionamento. Ao mesmo tempo, apresentam os inconvenientes de serem mais sensíveis às temperaturas e não atingir, relativamente, potências elevadas. ANÁLISE DOS ELEMENTOS SÓLIDOS As grandes maiorias das substâncias sólidas são formadas por moléculas ordenadas em forma cristalinas. Os átomos que formam os elementos que integram essas moléculas podem ser unidos de três formas: * Ligação Iônica > íons unidos por forças eletrostáticas * Ligação Covalente > átomos que compartilham pares de elétrons; e Ligação Metálica > átomos que compartilham os elétrons livres entre todos os átomos. Tomando como base às teorias de Bohr e de Sommerfield sobre a estrutura atômica, verificamos que a distribuição dos elétrons que compõem um átomo é feita em camadas formando diferentes níveis e subníveis em torno do núcleo. DISTRIBUIÇÃO ELETRÔNICA Os átomos até hoje conhecidos apresentam seus elétrons em camadas, tendo um máximo de 7camadas de estabilidade, denominadas: K, L, M, N,O, Pe Q. 1h 2 34 44 54 6,7 Os máximos de elétrons nas respectivas camadas são: , K52 Experimentalmente, í L58 constatou-se que, num O 8 M518 átomo estável, o máximo , N532 de elétrons na camada 0532 externa é 8. | LA P5>18 KkLMN OPG Q52 ELIÉSIO 1 E-mail: eliesio O etrr.com.br BANDA DE ENERGIA Banda saturada [BS] Formada pelos elétrons que estão mais próximo do núcleo e possuem uma mesma quantidade de energia estando fortemente agrupados Banda de valência [BV] Formada pelos elétrons que estão um pouco mais separados do núcleo, formando um outro nível de energia e estão numa situação semilivres. Banda de condução Formada pelos elétrons que estão mais afastados do núcleo. Nesta banda os elétrons possuem energia suficiente para moverem-se pelo corpo. A Banda proibida [BP] Formada pelo espaço entre a banda de valência com a banda de condução e a banda de saturada. Estas bandas são desprovidas de elétrons. BC BP BV BP BS Tomando como base à teoria das bandas de energia e centrando-se nas de valência e condução teremos uma classificação dos materiais quanto à condução de corrente elétrica. CARACTERÍSTICAS ELÉTRICAS e Condutores Possuem as bandas de valência e a banda de condução sobreposta, portanto, os elétrons podem mover-se pelo corpo quando submetidos à influência de um campo elétrico de pequena intensidade. Os condutores apresentam uma resistividade da ordem de 2x 10º 0x cm. 4 BC SSSSASSSSSSSSSS BV * Semicondutores Há um uma pequena separação entre as bandas de condução e de valência que provoca uma diferença de potencia de aproximadamente 1 eV. Com isto os elétrons conseguem com relativa facilidade passar da banda de valência para a banda de condução. Sua resistividade varia entre 100 e 100 x cm. BC tev BV e Isolantes ELIÉSIO 2 E-mail: eliesio O etrr.com.br CRISTAL SEMICONDUTOR Na natureza existem vários tipos de materiais semicondutores, porém, os mais utilizados para componentes eletrônicos são o SILÍCIO e o GERMÂNIO. SILÍCIO (SI) o Z=14 np = ne y . o q e [neutro] “e e º / . x 1º órbita = 2 elétrons coco" co o (O) o 2º órbita = 8 elétrons “ / o 4p 3º órbita = 4 elétrons (o 00, “OL N o - o o GERMÂNIO (GE) “o o np=ne o Z=32 [neutro] O. , 1º órbita = 2. elétrons O º 2º órbita = 8 elétrons A / 4p 3º órbita = 18 elétrons o 4º órbita = 4 elétrons e o —e SEMICONDUTOR INTRÍNSECO Um átomo de germânio ou de silício possui 4 elétrons na sua órbita de valência (TETRA VALENTES); porém para se tornarem quimicamente estável precisam de oito elétrons na sua camada mais externa e assim adquirirem a configuração dos gases raros. Para atingir este objetivo os átomos combinam-se entre si através de LIGAÇÕES COVALENTES. Nas ligações covalentes os elétrons fazem parte do orbital de valência dos dois átomos. REPRESENTAÇÃO DO CRISTAL SEMICONDUTOR INTRÍNSECO o esge ego 66 “0,0 ELIÉSIO Por serem tetravalentes os átomos dos semicondutores podem realizar quatro ligações covalentes com outros quatros átomos que estejam em sua proximidade e adquirem a forma espacial, porém por uma questão de simplicidade e para que se possa compreender melhor as figuras, esses materiais são representados como se tivessem ligações planas. E-mail: eliesio Oetrr.com.br FORMAÇÃO DO PAR ELÉTRON-LACUNA Em temperatura de ZERO ABSOLUTO (0º KELVIM OU -273º CENTÍGRADO) a matéria não apresenta vibração térmica e as ligações covalentes ficam intactas, o cristal não possui portadores de carga livre, pois os elétrons de valência estão fortemente presos ao átomo. O cristal comporta-se como um material isolante. Na temperatura ambiente normal, por exemplo, 25º C, teremos vibração térmica e o consegiente rompimento de ligações covalentes. Ao romper uma ligação covalente, temos a formação de um par ELETRON-LACUNA. Como sabemos o ELETRON apresenta carga negativa. A LACUNA que representa a ausência do elétron apresenta carga positiva. BANDA DE ENERGIA A TEMPERATURA BANDA DE ENERGIA A TEMPERATURA DE ZERO ABSOLUTO AMBIENTE À Energia Energia | VAZ! A banda de condução e) étrons banda de condução I banda de valência banda de valência 2º banda 2º banda BE 1º dano 1º banda CORRENTE DE DIFUSÃO (DRIF) É o movimento aleatório dos elétrons e lacunas dentro da estrutura cristalina provocado pela vibração térmica. Devemos notar que o movimento dos elétrons e lacunas é sempre feito em sentidos opostos. As estruturas cristalinas intrínsecas, na temperatura ambientes terão os portadores de carga negativa (elétrons) e os portadores de carga positiva (lacunas), porém no todo a estrutura cristalina continua neutra. POLARIZAÇÃO DO SEMICONDUTOR INTRÍNSECO Ao aplicar uma diferença de potencial entre os extremos de um cristal intrínseco teremos um movimento ordenado dos portadores de carga. As lacunas irão se deslocar na direção do lado negativo da fonte e os elétrons irão para o lado positivo da fonte. elétrons O semicondutor intrínseco possui o número de lacunas igual lacunas ao número de elétrons +++ + N=Te +++ A corrente de elétrons e lacuna | | | dependerá sempre da temperatura. | I v ELIÉSIO 6 E-mail: eliesio Oetrr.com.br DOPAGEM Um cristal intrínseco não possui portadores de carga suficiente para a maioria das aplicações. Para elevar o número dos portadores de carga, o cristal é dopado, sendo acrescentada de forma controlada determinada quantidade de impurezas a sua estrutura cristalina. O cristal dopado passa a ser chamado de semicondutor extrínseco. SEMICONDUTOR P Para aumentar o número de lacunas na banda de valência o semicondutor é dopado com substância trivalente (3 elétrons na camada de valência). Os átomos trivalentes são conhecidos como átomos aceitadores, porque, cada lacuna que ele fornece pode aceitar um elétron durante a recombinação. Como exemplo de impureza aceitadora temos o alumínio, o boro e o gálio. Depois que for adicionada impureza o cristal passa a ter uma quantidade de lacunas maior que os elétrons. REPRESENTAÇÃO DO SEMICONDUTOR TIPO “P” ÁTOMO TRIVALENTE A º cm 0. “7/3p "e 3 ELÉTRONS DE VALÊNCIA 1 =. LACUNA (acrescentada pelo elemento trivalente) NOTA: O semicondutor P é um material neutro. POLARIZAÇÃO DO SEMICONDUTOR P Ao aplicar uma diferença de potencial entre os extremos de um cristal tipo “P”, teremos um movimento ordenado dos portadores de carga, porém, as lacunas estão em quantidade maior que os elétrons. PR elétrons No semicondutor P as lacunas são portadores majoritários lacunas (em maior número) e os elétrons são portadores minoritários “JE. (em menor número). +++ H>le HA HH—+ A corrente de elétrons dependerá da | | temperatura e a corrente de lacunas | I dependerá da temperatura e da dopagem ELIÉSIO 7 E-mail: eliesio Oetrr.com.br deriva “Is”, cujo sentido é do lado N para o lado P da junção. Como a corrente Is é formada de portadores minoritários gerados termicamente, seu valor depende muito da temperatura. Essa corrente é da ordem de microamperes para o transistor de germânio e da ordem de nanoamperes para o transistor de silício. POLARIZAÇÃO DIRETA Ao polarizar diretamente uma junção PN colocamos o material “P” positivo em relação ao material “N”. “Como temos a redução do potencial de barreira os portadores de carga majoritários passam a fluir através da junção”. A polarização direta provoca uma diminuição do potencial de harreira Com a diminuição do potencial de barreira, teremos uma intensa corrente de - portadores A ID «e A corrente direta "ID" é formada por portadores majoritários. (ID) vV majoritários e depende da "dopagem" da estrutura. POLARIZAÇÃO INVERSA Ao polarizar inversamente uma junção PN colocamos o material “P” negativo em relação ao material “N”. Com isto é elevado o potencial de barreira, e temos o afastamento dos portadores majoritários da região da junção, aumentando a região de depleção. Com a polarização reversa o potencial de barreira aumenta até que a diferença de potencial se iguale à tensão da fonte. A polarização reversa provoca uma elevação do potencial de A K barreira Com o aumento do potencial de barreira, teremos somente uma pquena corrente de portadores minoritários. (IR) v A corrente de saturação é formada pelos portadores minoritários e depende exclusivamente da temperatura. ELIÉSIO 10 E-mail: eliesio Oetrr.com.br CORRENTE DE PORTADORES MINORITÁRIOS A corrente de portadores minoritários é provocada pela energia térmica que com a vibração térmica cria continuamente um número limitado de par elétron-lacuna. Os elétrons formam os portadores minoritários no material “N” e as lacunas os portadores minoritários no material “P”. A corrente reversa é chamada de CORRENTE DE SATURAÇÃO (Is) e depende exclusivamente da temperatura de funcionamento da junção PN . Isto significa que aumentando a polarização reversa não teremos um aumento na corrente reversa, porém, se a temperatura aumentar a corrente reversa aumenta. Este valor é característico para cada tipo de semicondutor utilizado. Para o caso do silício, na prática observa-se que a corrente de saturação tem seu valor dobrado para cada 10º C de elevação da temperatura. ELIÉSIO 11 E-mail: eliesio Oetrr.com.br AUTO-AVALIAÇÃO > O SEMICONDUTOR NOME TURMA ANO 01] Explique o motivo da utilização de semicondutores na eletrônica atual. 02] O que é ligação iônica? 03] O que é ligação covalente? 04] O que é ligação metálica? 05] Faça a distribuição básica dos elétrons de um átomo por camadas. 06] O que é camada de valência de um átomo? 07] Um átomo estável terá quantos elétrons na camada de valência? 08] O que é banda de condução”? 09] O que é banda saturada? 10] O que é banda de valência? 11] O que é banda proibida? 12] Tomando como base à teoria das bandas de energia, defina: ELIÉSIO 12 E-mail: eliesio O etrr.com.br 36] Quais os portadores majoritários no semicondutor P? 37] Quais os portadores majoritários no semicondutor N? 38] O que é portador minoritário? 39] Quais os portadores minoritários no semicondutor P? 40] Quais os portadores minoritários no semicondutor Nº 41] O que é corrente de difusão? 42] O que é junção NP? 43] Defina região de depleção? 44] O que é potencial de barreira? 45] Qual o valor aproximado do potencial de barreira para o silício? 46] Qual o valor aproximado do potencial de barreira para o germânio? 47] Como podemos polarizar diretamente uma junção PN? 48] O que ocorre com o potencial de barreira na polarização direta? 49] Como podemos polarizar inversamente uma junção PN? ELIÉSIO 15 E-mail: eliesio O etrr.com.br 50JO que ocorre com o potencial de barreira na polarização reversa? 51] O que é corrente de saturação numa junção PN? 52] Por que a corrente reversa de uma junção pn é conhecida como corrente de fuga? 53] Como são criados os portadores minoritários no material semicondutor? 54] Como são criados os portadores minoritários no material semicondutor? 55] Qual o efeito da temperatura no material semicondutor? 56] Qual o efeito da temperatura sobre um semicondutor de silício? ELIÉSIO 16