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Aula 03062019

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Teoria dos Semicondutores e o
Diodo Semicondutor.
Professor Valério de Oliveira Ramos
Bandas de Energia
Figura 1 - Modelo atômico de Niels Bohr
Bandas de Energia
A quantidade de elétrons da última camada define quantos deles podem se libertar do átomo em função da absorção de energia externa ou se esse átomo pode se ligar a outro através de ligações covalentes.
Figura 2 - Elétron Livre e Banda de condução
Bandas de Energia
Os elétrons da banda de valência são os que têm mais facilidade de sair do átomo.
Eles têm uma energia maior
Por causa da distância ao núcleo ser grande, a força de atração é menor (menor energia externa)
A região entre uma órbita e outra do átomo é denominada banda proibida, onde não é possível existir elétrons.
O tamanho da banda proibida na última camada de elétrons define o comportamento elétrico do material.
Bandas de Energia
	Energia		Energia		Energia
	Banda de condução		Banda de condução		Banda de condução
	Banda Proibida				Banda Proibida
			Banda de Valência		Banda de Valência
	Banda de Valência				
Figura 3 - Isolantes, Condutores e Semicondutores
Bandas de Energia
Material isolante: banda proibida grande exigindo do elétron muita energia para se livrar do átomo.
Material condutor: um elétron pode passar facilmente da banda de valência para a banda de condução sem precisar de muita energia.
Material semicondutor: um elétron precisa dar um salto pequeno. Os semicondutores possuem características intermediárias em relação aos dois anteriores.
Definição – Materiais
Condutor é qualquer material que sustenta um fluxo de carga, quando uma fonte de tensão com amplitude limitada é aplicada através de seus terminais.
Isolante é o material que oferece um nível muito baixo de condutividade sob pressão de uma fonte de tensão aplicada.
Um semicondutor é, portanto, o material que possui um nível de condutividade entre os extremos de um isolante e um condutor.
Definição – Materiais
A	classificação	dos	materiais em condutor, semicondutor	ou	isolante	é feita pelo seu valor de resistividade (ρ).
A Tabela I apresenta os valores de resistividades típicos dos materiais.
Tabela I – Valores de resistividade típicos
 
	Condutor	Semicondutor	Isolante
	1,72x10-8 Ωm (Cobre)	0,46x10-5 Ωm (Germânio)	9x1014 Ωm (Mica)
	2,82 Ωx10-8 m (Alumínio)		640x10-5 Ωm (Silício
Definição – Materiais
Definição – Materiais
Semicondutores Intrínsecos
Os	semicondutores	mais	comuns	e	mais utilizados são o silício (Si) e o germânio (Ge).
Eles	são	elementos	tetravalentes,	possuindo quatro elétrons na camada de valência.
Figura 4 - Representação Plana dos Semicondutores
Definição – Materiais
Semicondutores Intrínsecos
Cada átomo compartilha 4 elétrons com os vizinhos, de modo a haver 8 elétrons em torno de cada núcleo
Figura 5 – Compartilhamento de elétrons
Semicondutores Tipo N e P
Se um cristal de silício for dopado com átomos pentavalente (arsênio, antimônio ou fósforo), também chamados de impurezas doadora, será produzido um semicondutor do tipo N (negativo) pelo excesso de um elétron nessa estrutura.
Figura 6 – Semicondutor tipo N
Semicondutores Tipo N e P
Material semicondutor tipo N
Figura 7 – Semicondutor tipo N com Arsênio
Semicondutores Tipo N e P
Assim, o número de elétrons livres é maior que o número de lacunas. Neste semicondutor os elétrons livres são portadores majoritários e as lacunas são portadores minoritários.
	-		-	-	+	-	-
	-		-	-	-	-	-
	-		+	-	-	-	-
	-		-	-	-	-	-
	-		-	-	+	-	-
	-		-	-	-	-	-
	-		-	+	-	-	
Figura 8 - Semicondutor Tipo N
Semicondutores Tipo N e P
Se um cristal de silício for dopado com átomos trivalente (alumínio, boro ou gálio), também chamados de impurezas aceitadora, será produzido um semicondutor do tipo P (positivo) pelo falta de um elétron nessa estrutura.
Figura 9 – Semicondutor tipo P
Semicondutores Tipo N e P
Material semicondutor tipo P
Figura 9 – Semicondutor tipo P com Índio
Semicondutores Tipo N e P
Assim, o número de lacunas é maior que o número de elétrons livres. Neste semicondutor as lacunas são portadores majoritário e os elétrons livres são portadores minoritários.
	-	+	+	+	+
	+	+	+	+	+
	+	+	+	-	+
	+	+	+	+	+
	+	-	+	+	+
	+	+	+	+	+
	+	+	+	-	+
Figura 8 - Semicondutor Tipo P
Diodo Semicondutor
Junção PN
A união de dois cristais (P e N) provoca uma recombinação de elétrons e lacunas na região da junção, formando uma barreira de potencial.
	- + ++++++++	_	+	-------+++++++
	+++++++++++	_	+	----------+++++
	+++++++++++	_	+	-----++++++++
	---+++++++++	_	+	------+++++++
	+++++++++++	_	+	--------++++++
	+++++++++++	_	+	-------+++++++
	--++++++++++	_	+	---------++++++
íons negativos íons positivos
Figura 9 – Barreira de Potencial
Diodo Semicondutor
Junção PN
Cada lado do diodo recebe um nome: O lado P chama-se de anodo (A) e o lado N chama-se de catodo (K).
Figura 10 – Imagem e símbolos do Diodo
A
A
K
N
P
Diodo Semicondutor
Polarização direta da junção PN
Figura 11 – Junção PN polarizada diretamente
Diodo Semicondutor
Polarização inversa da junção PN
Figura 12 – Junção PN polarizada inversamente
Diodo Semicondutor
Principais Especificações do Diodo
Na polarização direta só existe corrente elétrica se a tensão aplicada ao diodo for maior que Vd (0,7V). Existirá uma corrente máxima que o diodo poderá conduzir (Idm) e uma potência máxima de dissipação (Pdm): Pdm = V.Idm
Na polarização reversa existe uma tensão máxima chamada de tensão de ruptura ou breakdown (Vbr) e uma corrente muito pequena denominada de corrente de fuga.(If)
Diodo Semicondutor
Curva Característica do Diodo
Na polarização direta
Figura 12 – Diodo polarizado diretamente e sua curva característica
Diodo Semicondutor
Curva Característica do Diodo
Na polarização inversa
Figura 13 – Diodo polarizado inversamente e sua curva característica
Diodo Semicondutor
Curva Característica do Diodo
Gráfico completo
Figura 14 – Curva característica do Diodo
Diodo Semicondutor
Reta de Carga
Método	para	determinar	o	valor	exato	da corrente e da tensão sobre o diodo.
Figura 14 – Reta de carga do Diodo
Diodo Semicondutor
Aproximações do Diodo
1ª aproximação (Diodo ideal)
Figura 15 – Diodo como chave
Diodo Semicondutor
Aproximações do Diodo
2ª aproximação
Figura 16 – Diodo como chave e fonte
Diodo Semicondutor
Aproximações do Diodo
3ª aproximação
Figura 17 – Diodo como chave, fonte e resistência
Diodo Semicondutor
Teste de Diodos com Multímetro Digital
Figura 18 – Diodo como chave, fonte e resistência
Principais aplicações do diodo:
Proteger equipamentos e circuitos;
Transformar corrente alternada (CA) em corrente contínua (CC) - retificação;
Alguns diodos especiais, chamados LEDs, são capazes de emitirem luzes; e
Forçar queda de tensão.
Especificações de corrente
Para os diodos comuns normalmente duas especificações de tensão são suficientes para nos permitir avaliar seu funcionamento num circuito. Elas são:
Vf = queda de tensão no sentido direto – é a queda de tensão que ocorre num diodo quando ele conduz a corrente. Normalmente de 0,6 a 0,7 V nos diodos de silício.
PIV = tensão inversa de pico (Peak Inverse Voltage), que é a máxima tensão que se pode aplicar ao diodo quando polarizado no sentido inverso.
Especificações de corrente
Para a corrente, basta saber o valor de IF(AV) = corrente média no sentido direto e com isso sabemos como usar o diodo.
Especificações de tensão e corrente
No entanto, consultando datasheets encontramos outras especificações de tensão que são igualmente importantes quando pretendemos trabalhar com estes componentes. As principais são:
VRRM= Tensão inversa máxima repetitiva (Maximum Repetitive Reverse Voltage) – é a tensão máxima que o diodo pode suportar no sentido inverso na forma de pulsos repetidos.
VR ou VDC = Tensão máxima contínua no sentido inverso (Maximum DC Reverse Voltage) que o diodo pode suportar quando polarizado no sentido inverso.
VF = Tensão Máxima no sentidoDireto (Maximum Forward Voltage) – é a tensão que aparece num diodo quando ele conduz uma determinada corrente, especificada no datasheet. Num diodo ideal, essa tensão é nula, mas conforme estudamos nos diodos comuns, ocorre sempre uma queda de tensão na condução que se costuma adotar como valor típico nos diodos de silício de 0,7 V. Num cálculo mais exato, entretanto, ela depende da corrente.
Especificações de tensão e corrente
IF(AV) = Corrente máxima (média) direta – Maximum (average) forward current – é o máximo valor que a corrente média no sentido direto pode conduzir quando polarizado no sentido direto. Essa corrente é determinada basicamente pela capacidade de dissipação do diodo, pois o calor gerado nestas condições depende da queda de tensão que ocorre na junção, multiplicada pela intensidade da corrente.
IFSM ou If(surge) = Corrente máxima de pico ou surto no sentido direto – (Maximum (peak or surge) forward current - é o pico máximo de corrente que o diodo é capaz de conduzir quando polarizado no sentido direto. Este parâmetro é limitado pela capacidade de dissipação da junção, sendo normalmente muito alto devido à inércia térmica. Demora um certo tempo para o calor gerado se propagar.
PD = Dissipação máxima de potência (Maximum Total Dissipation) – é a capacidade de dissipação de potência do diodo em watts (W). Como esta grandeza é dada por P = V x I, ela pode ser calculada pela corrente conduzida multiplicada pela tensão direta.
Especificações de tensão e corrente
TSTG = Faixa de temperaturas de armazenamento (Storage Temperature Range) – é a faixa de temperaturas em que o diodo pode ser guardado (sem estar em funcionamento).
Tj = Temperatura máxima da junção (Maximum Operating Temperature) ou máxima temperatura de funcionamento. Na maioria dos casos é o mesmo valor da temperatura de armazenamento.
R(?) = Resistência Térmica (Thermal Resistance) é a diferença de temperatura que ocorre entre a junção e o meio exterior (ar) ou entre a junção e os terminais (JA ou JL) para uma determinada dissipação. Esta especificação é dada em graus Celsius por Watt (oC/W ). Seu valor seria zero se o invólucro do diodo fosse um condutor perfeito, mas na prática não é. Esta especificação é importante no dimensionamento de dissipadores de calor.
Especificações de tensão e corrente
IR = Corrente inversa (ou reversa) máxima (Maximum Reverse Current) – é a corrente que circula pelo diodo quando ele é polarizado com a tensão inversa máxima (DC), Também encontramos esta corrente indicada como “corrente de fuga” (leakage current). Num diodo ideal ela deve ser nula, mas na prática depende de diversos fatores, sendo o principal, a temperatura.
CJ = Capacitância típica da Junção (Typical Junction Capacitance) – é a capacitância intrínseca que aparece entre as junções devido à região de deplexão que age como um dielétrico. Trata-se de uma capacitância muito baixa, da ordem de picofarads.
trr = Tempo de Recuperação Inversa (Reverse Recovery Time) – trata-se do intervalo de tempo que ocorre entre o instante em que a tensão num diodo em condução é invertida e ele realmente deixa de conduzir. Veja mais adiante nesta lição, mais detalhes sobre este fenômeno em “diodos de recuperação rápida”.
Especificações de tensão e corrente
É importante observar que os parâmetros indicados variam dependendo de diversos fatores, sendo o principal, a temperatura. Assim, os fabricantes, na maioria dos casos, não dão essas especificações através de um valor fixo, mas sim através de gráficos.
SEMICONDUTORES
EXERCÍCIOS
1- Como podemos obter um semicondutor tipo P?
(A) Adicionando ao cristal de silício ou germânio impurezas pentavalentes.
(B) Adicionando ao cristal de silício ou germânio impurezas trivalentes.
(C) O cristal puro já é um semicondutor tipo P.
(D) Adicionando ao cristal de silício ou germânio impurezas tetravalentes.
2- Como podemos obter um semicondutor tipo N?
(A) Adicionando ao cristal de silício ou germânio impurezas pentavalentes.
(B) Adicionando ao cristal de silício ou germânio impurezas trivalentes.
(C) O cristal puro já é um semicondutor tipo P.
(D) Adicionando ao cristal de silício ou germânio impurezas tetravalentes.
3- Quanto à dopagem é incorreto dizer que:
(A) É a purificação do cristal.
(B) É o adicionamento de impurezas no cristal.
(C) É um processo para se obter elétron livre nos semicondutores.
(D) É um processo para se obter lacuna nos semicondutores.
4- Pode-se definir tensão elétrica como:
(A) É a diferença de potencial entre dois pontos.
(B) É o fluxo de elétrons de um ponto para outro.
(C) É uma oposição à passagem da corrente elétrica.
(D) É o quociente entre a resistência e corrente.
5- São considerados bons condutores de eletricidade, átomos terminados com:
(A) Todos os átomos são bons condutores de eletricidade.
(B) 5, 6, 7 e 8 elétrons na última camada.
(C) 4 elétrons na última camada.
(D) 1, 2 e 3 elétrons na última camada.
6- São péssimos condutores de eletricidade:
(A) Cobre.
(B) Ouro.
(C) Gases nobres.
(D) Alumínio.
7- O diodo só conduz se:
(A) Reversamente polarizado independente da barreira de potencial.
(B) Reversamente polarizado e após romper a barreira de potencial.
(C) Diretamente polarizado independente da barreira de potencial.
(D) Diretamente polarizado e após romper a barreira de potencial.
8- Os semicondutores mais utilizados na indústria de eletrônica são feitos a partir de cristais de:
(A) Silício e germânio.
(B) Cobre e ouro.
(C) Alumínio e fósforo.
(D) Prata e bromo.
9- Polarizar um diodo diretamente significa:
(A) Ligar o positivo da fonte com o anodo e negativo com catodo.
(B) Ligar o negativo da fonte com o anodo e positivo com catodo.
(C) Ligar o positivo da fonte com o catodo e negativo com anodo.
(D) Ligar o negativo da fonte com o catodo e positivo com anodo.
(E) B e C estão incorretas.
10- Em relação à barreira de potencial, é correto dizer que:
(A) Diodos de silício conduzem após 0,3V.
(B) Diodos de germânio conduzem após 0,7V.
(C) Diodos de silício conduzem após 0,7V.
(D) Diodos de germânio conduzem após 0,3V.
(E) C e D estão corretas.
fim

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