Teoria_Exercícios1_Eletrônica

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Eletrônica – Teoria e Exercícios 1 
 
 
Eletrônica – Teoria e Exercícios 1 
2º semestre/2017 2 
 
 
 
Eletrônica – Teoria e Exercícios 1 
 
 
Referência: BOYLESTAD, Robert L., NASHELSKY, Louis. Dispositivos Eletrônicos e teoria de circuitos. 8ed.. São Paulo: Pearson Prentice Hall, 2004. 
 
 
 
Isolante – Material que NÃO permite a movimentação de elétrons; 
Semicondutor – Material que permite moderada movimentação de elétrons; Condutor – Material que permite a movimentação de elétrons. 
 
Obs.: 1) Na prática não existem materiais Isolantes ou Condutores perfeitos, pois não há material algum que impeça ou permita totalmente, sob qualquer circunstância, a passagem de elétrons. 
 
 2) Os materiais semicondutores são uma classe especial de elementos cuja condutividade está entre a de um bom condutor e a de um isolante. 
 
 
 
 
 
Níveis de energia: (a) níveis discretos em estruturas atômicas isoladas; (b) bandas de condução e valência de um isolante, um semicondutor e um condutor. 
 
 
 
Os materiais semicondutores são separados em duas classes: Cristal Singular e Cristal Composto. 
Cristal Singular – Germânio (Ge) e Silício (Si) – estrutura de cristal repetitiva. 
Cristal Composto – Arseneto de Gálio (GaAs), Sulfeto de Cádmio (CdS), Nitreto de Gálio (GaN) e Fosfeto de Arseneto de Gálio (GaAsP) – são compostos de dois ou mais materiais semicondutores de estruturas atômicas diferentes. 
Destes os mais utilizados são Ge, Si e GaAs 
 
 
 	 
 
 
(a) Ligação covalente do Cristal de Si; (b) Ligação covalente do Cristal de GaAs 
 
 
 
Materiais Intrínsecos 
São Materiais Semicondutores que tenham sido cuidadosamente refinados para reduzir o número de impurezas a um nível muito baixo — essencialmente, com o grau máximo de pureza disponibilizado pela tecnologia moderna. 
Na figura, o Cristal de Si apresenta apenas átomos deste elemento, portanto está sem impureza, caracterizando um material intrínseco. 
 
 
Ligação Covalente do Cristal de Si 
 
 
 
 	 
Materiais Extrínsecos 
As características de um material semicondutor podem ser alteradas significativamente pela adição de átomos específicos de impureza ao material semicondutor intrínseco (relativamente puro). 
O ato de colocar “impureza” em material semicondutor intrínseco é denominado Dopagem. 
Material Extrínseco é um material semicondutor que tenha sido submetido ao processo de dopagem. 
 
 
 
Materiais Tipo n e Tipo p Material Tipo n 
 Se um cristal de Si (material tetravalente – 4 elétrons na camada de valência) intrínseco for dopado com “impureza” pentavalente (5 elétrons na camada de valência), um dos elétrons fica sem ligação, estando “livre” para uma nova ligação. 
 
 
Impureza de antimônio no Cristal de Si – Material Tipo n 
 
 
O efeito do processo de dopagem na condutividade relativa do material pode ser observado na figura 
 
 
Efeito da dopagem com impurezas doadoras na Banda de Energia 
 
O material extrínseco com “elétron livre” na camada de valência, é denominado Material Semicondutor Tipo n. 
 
 	 
Material Tipo p 
 Se um cristal de Si (material tetravalente – 4 elétrons na camada de valência) intrínseco for dopado com “impureza” trivalente (3 elétrons na camada de valência), fica o “espaço” de um elétron para completar a ligação, este 
“espaço” é denominado “lacuna”. 
 
 
Impureza de boro no Cristal de Si – Material Tipo p 
 
O material extrínseco com “lacuna”, é denominado Material Semicondutor Tipo p. 
 
 
OBS.: Não é possível retirar totalmente as impurezas dos materiais naturais, portanto o material intrínseco não é totalmente puro, podendo conter elétrons livres e/ou lacunas. 
 	Neste caso: 
Em um material do tipo n o elétron livre é denominado portador majoritário e a lacuna portador minoritário (a). 
Em um material do tipo p a lacuna é denominada portador majoritário e o elétron livre portador minoritário (b). 
 
 
 
 
Unindo o material tipo n e o tipo p, formando um única junção, é obtido o dispositivo semicondutor denominado DIODO que: 
possui DOIS terminais o ANODO ligado ao material semicondutor tipo p e o CATODO ligado ao material semicondutor tipo n, conforme é observado na figura. 
É utilizado em uma infinidade de aplicações nos circuitos eletrônicos. 
 
 
 
 
No ponto de união do material tipo p com o tipo n do Diodo, conforme pode ser observado na figura, há uma região desprovida de carga elétrica. Isto ocorre porque os elétrons livres do material tipo n ocupam as lacunas do material tipo p, ficando nesta região apenas os íons positivos e negativos, formando uma Barreira de Potencial (também denominada Barreira de Depleção ou Zona de Depleção) que impede a passagem de elétrons, desde que não haja energia suficiente para tal, ou seja, caso o dispositivo não esteja polarizado. 
 
 
Construção Básica Interna do Diodo – sem polarização 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 	 
Diodo Reversamente Polarizado: 
 
 
 
 
 
 
Diodo Diretamente Polarizado: 
 
 
 
 
 
 	 
Polarização do Diodo Ideal : 
 
(a) Diodo diretamente polarizado e (b) Reversamente polarizado 
 
 
 
A figura abaixo apresenta as tensões e correntes na condução direta e reversa do Diodo: 
 
 
Curva Característica de um Diodo Quase Real 
 
 
 
 	 
Silício versus germânio 
 
 	 
Comportamento do Diodo em função da variação de temperatura 
 
 
 
 
 
 	 
 	Reta de Carga 
A curva característica do Diodo é não linear, isso torna complexo determinar por meio de equações o valor da corrente e tensão sobre o Diodo e resistor. Para resolver este problema, é utilizado um método denominado Reta de Carga, com ele é possível determinar o valor exato da corrente e da tensão sobre o diodo. 
 
Exemplo: Dado o circuito e as características elétricas do diodo, encontre seu ponto de operação. 
 
 
 
 
 
 
 
 
Portanto, com a aplicação da reta de carga, o ponto de operação do diodo, no exemplo, é IDQ = 12mA e VDQ = 0,78V. 
 
 
 	 
Valores de resistência 
 
Resistência cc ou estática 
Quanto mais baixa a corrente que passa por um diodo, mais alto é o valor de resistência cc. 𝑅𝐷 = 𝑉𝐷 
𝐼𝐷
 
 
Exercício: Determinar os valores de resistência do diodo conforme curva característica para: a) ID = 2mA 
ID = 20mA 
VD = - 10V 
 
 	 
Resistência ca ou dinâmica 
 
A aplicação de uma tensão CA a um circuito que contenha um diodo semicondutor, faz sua entrada variável mover o ponto de operação instantâneo para cima e para baixo em uma região da curva característica e, assim, definirá uma alteração específica em corrente e tensão, como mostrado na figura a. Com nenhum sinal variável aplicado, o ponto de operação seria o ponto Q que aparece nessa figura, determinado pelos níveis CC aplicados. A designação de ponto Q deriva da palavra quiescente, que significa “estacionário ou invariável”. Uma linha reta traçada tangente à curva por meio do ponto Q, como mostrado na figura b, definirá uma mudança específica em tensão e corrente que pode ser usada para determinar a resistência CA ou dinâmica para essa região da curva característica do diodo. 
 
Quanto mais baixo o ponto Q de operação (menor corrente ou mais baixa a voltagem), mais alta a resistência ca. 
∆𝑉𝑑
𝑟𝑑 = 
∆𝐼𝑑
 
Definição da resistência dinâmica ou ca e determinação da resistência ca em um ponto Q. 
 
 
(a) Definição da Resistência CA (b) Determinação da Resistência CA Resumo dos níveis de resistência nos diodos. 
 
 
 	 
 
 
Exercícios: 
Com Gráfico 1 
1.Determinar a resistência estática ou cc do diodo comercial para uma tensão reversa de -30V. 
 
2. Determinar a resistência ca média para o diodo na região entre 0,6V e 0,9V. 
 
3.Determinar a resistênciaca para o diodo em 0,75V e compare com a resistência ca média do exercício anterior. Apresentar uma conclusão. 
 
Com Gráfico 2 4. Determinar a resistência dinâmica ou ca do diodo para uma corrente direta de 10mA usando a equação 𝑟𝑑 = ∆𝑉𝑑 
∆𝐼𝑑
 
5.Calcular a resistência cc para 10mA e comparar com a do exercício anterior. Apresentar conclusão. 
 
6. Usar a equação 𝑟𝑑 = ∆𝑉𝑑 e determinar as resistências ca para as correntes de 1mA e 20mA. Comparar os 
∆𝐼𝑑
resultados e apresentar uma conclusão que considere a resistência ca e os níveis crescentes de corrente no diodo. 
 
 
 
 	 
Gráfico1 
 
 
 	 
 
Gráfico 2