Eletrônica Linear Tópico 1

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Material de Consulta para o Aluno 
 
 
1º Tópico – Classificação dos materiais quanto à condução. O diodo 
semicondutor. Polarização do diodo retificador. Diodos em corrente contínua. 
 
1. Estrutura atômica 
 
 
 
 
 
 
 
Distinguimos duas regiões nos átomos: 
a) uma com carga elétrica positiva, e muito pesada, que concentra quase todo o 
peso do átomo que é chamada de núcleo; 
b) uma região ocupada por elétrons, que giram ao redor do núcleo, chamada de 
eletrosfera. 
 
Núcleo 
 É constituído por nêutrons e prótons. O nêutron não tem carga elétrica. O 
próton tem carga elétrica positiva, que se representa por +e. Representa-se por Z o 
número de prótons de um átomo. A carga positiva do núcleo é então +Ze. 
Elétrons 
 Possuem carga elétrica negativa, de mesmo valor absoluto que a dos prótons, 
e que se representa por -e. Como o átomo é neutro, concluímos que o número de 
elétrons é igual ao de prótons. Há Z prótons, cuja carga total é +Ze, e Z elétrons, 
cuja carga total é -Ze. A carga total do átomo é nula. 
Os elétrons giram ao redor do núcleo dispostos em várias órbitas. A distância 
dos elétrons ao núcleo é muito grande, relativamente ao tamanho do núcleo. Por 
isso se diz que o átomo parece um sistema solar em miniatura. 
As órbitas dos elétrons são representadas, de dentro para fora, pelas letras K, 
L, M, N, O, P, Q. A órbita K é a mais interna, Q é a mais externa. A distribuição 
dos elétrons nessas órbitas é conhecida para cada elemento (exemplo: hidrogênio, 
ouro, urânio etc.). Para cada órbita há um número máximo de elétrons admissível, 
que nunca é ultrapassado, em nenhum elemento. Esses números figuram na tabela: 
 
 
Eletrônica Linear I 
Figura 1 - Átomo 
Órbita Número máximo de elétrons 
K 2 
L 8 
M 18 
N 32 
O 32 
P 18 
Q 2 
 Tabela 1 - Distribuição eletrônica por camadas 
 
Exemplos 
 
1 – O átomo de silício tem o núcleo constituído por 14 prótons. E tem 14 elétrons, 
respectivamente distribuídos nas órbitas: K=2, L=8 e M=4. 
 
 
 
Figura 2 – Átomo de silício 
 
2 – O átomo de cobre tem o núcleo constituído por 29 prótons. E tem 29 elétrons, 
respectivamente distribuídos nas órbitas: K=2, L=8 e M=18 e N=1. 
 
Figura 3 – Átomo de Cobre 
 
 
3 – O átomo de arsênio tem o núcleo constituído por 33 prótons, e tem 33 elétrons, 
respectivamente distribuídos nas órbitas: K=2, L=8 e M=18 e N=5. 
 
 
Figura 4 – Átomo de Arsênio 
 
 A estrutura do átomo como a conhecemos hoje, com os elétrons girando ao 
redor de um núcleo positivo, é chamada Estrutura de Rutherford-Bohr. Isso 
porque, Ernest Rutherford, grande físico experimental, realizou uma experiência 
decisiva, mostrando que a estrutura do átomo só pode ser essa. E Niels Bohr, 
grande físico teórico, foi o primeiro a tentar uma exposição matemática dessa 
estrutura. 
 
 
NÚMERO ATÔMICO E NÚMERO DE MASSA 
 Chama-se o número atômico de um elemento o número de prótons no seu 
núcleo. Para um átomo neutro, este é também o número de elétrons que o átomo 
possui. O número atômico geralmente é representado pela letra Z. 
Chama-se o número de massa de um elemento a soma do número de prótons 
com o número de nêutrons, isto é, o número de partículas que constituem o núcleo. 
Representa-se geralmente pela letra A. Assim, sendo N o número de nêutrons de 
um núcleo, é evidente que: A = Z + N. 
Em uma distribuição eletrônica a camada de valência é a mais distante do 
núcleo de um átomo e dela dependem as propriedades elétricas do átomo. Os 
elétrons livres ocupam a camada mais externa (camada de valência), ou seja, são 
os elétrons mais afastados do núcleo, e facilmente deslocados. Quanto maior a 
distância entre o elétron e o núcleo, menor a força de atração entre eles. 
A camada de valência define se o elemento químico é um bom condutor, um 
semicondutor ou um isolante. 
 
Classificação dos materiais quanto a condução 
Condutores → são materiais que necessitam de pequena quantidade de 
energia para conduzir. Os elétrons livres existem em grande quantidade nestes 
materiais. Possuem 1,2 ou 3 elétrons na camada de valência. 
Exemplos: ouro, prata, cobre,... 
 
Semicondutores → são materiais que necessitam de uma determinada quantidade 
de energia para conduzir. Possuem 4 elétrons na camada de valência. 
Exemplos: Silício e germânio. 
 
Isolantes → São materiais que necessitam de uma grande quantidade de energia 
para conduzir. Não existem, ou praticamente não existem elétrons livres nestes 
materiais. 
Exemplos: borracha, cerâmica, plástico,... 
 
Semicondutores 
A eletrônica é a ciência que estuda os semicondutores. Os semicondutores 
são substâncias cujos átomos possuem quatro elétrons na camada de valência 
(última camada). Os semicondutores não são bons nem maus condutores de 
eletricidade, na verdade a sua condutividade depende da temperatura a qual ele 
está submetido. Por exemplo, um cristal de silício se comporta como um isolante 
perfeito a temperatura de -273ºc. À medida que a temperatura vai aumentando, sua 
condutividade também aumenta. 
O silício e o germânio são os elementos químicos (semicondutores) usados 
na construção de dispositivos eletrônicos (diodos, transistores, circuitos integrados 
etc.). O germânio praticamente não é mais usado na construção destes dispositivos, 
devido a sensibilidade à temperatura. Por isso, quando falarmos de semicondutores, 
estaremos falando do silício. 
 
Ligação Covalente 
Nós já sabemos que o átomo de silício possui quatro elétrons na camada de 
valência, só que para formar o sólido, o átomo precisa de oito elétrons na camada 
de valência. Para obterem-se oito elétrons na camada de valência, os átomos se 
associam numa ligação chamada de ligação covalente. Na ligação covalente, os 
átomos compartilham elétrons com os átomos que estão a sua volta, como vemos 
na figura 5. 
 
 
Figura 5 - Ligação covalente 
Na ligação covalente, cada átomo compartilha um elétron com o átomo 
vizinho. Desta forma, o átomo central apanha quatro elétrons emprestados, o que 
lhe dá um total de oito elétrons na camada de valência, adquirindo estabilidade 
química para formar o sólido. Os elétrons compartilhados não passam a fazer parte 
efetivamente do átomo central, Portanto, eletricamente falando, cada átomo ainda 
continua com quatro elétrons na camada de valência e quatorze no total, ou seja, 
eletricamente neutro. 
Os átomos de silício se distribuem no sólido formando uma estrutura cúbica, 
onde os átomos ocupam os vértices do cubo. Esta estrutura cúbica é normalmente 
chamada cristal. É por isso que nós dizemos que o sólido de silício é um cristal de 
silício. 
 
Figura 6 - Cristal de silício puro 
Elétron Livre 
O que mantém os elétrons presos aos seus respectivos átomos, é a força de 
atração exercida pelo núcleo, associado ao movimento circular do elétron em torno 
do núcleo. Sabe-se que associado a todo movimento circular, atua a força 
centrífuga, que puxa o corpo para fora do centro do movimento. No caso dos 
elétrons, ocorre que a força centrífuga puxa os elétrons para fora do núcleo e os 
prótons os puxam para dentro. O equilíbrio destas duas forças é que mantém os 
elétrons ligados aos átomos. Tendo em vista, podemos concluir que a força de 
atração que atua nos elétrons das últimas camadas é menor que a força que atua 
nos elétrons das primeiras camadas. 
Se um elétron da camada de valência receber energia externa como luz, 
calor, dentre outras, e esta for maior que a força de atração exercida pelo núcleo, o 
elétron pode subir para uma órbita acima da camada de valência, chamada de 
banda de condução. Uma vez na banda de condução, o elétron está livre para se 
deslocar pelo cristal, sendo o mesmo chamado de elétron livre. Ao ir para a banda 
de condução, o elétron deixa um vazio que nós chamamos de lacuna. 
 
Figura 7 - Elétron livre 
Este fenômeno é chamado de quebra de ligação covalente. Esta quebra 
produz um par elétron-lacuna. Do mesmo modo, um elétron livre vagando pelo 
cristal, pode passarperto de uma lacuna e ser atraído pela mesma, neste caso 
houve uma recombinação. 
Sendo corrente elétrica, o movimento de elétrons livres, o silício é um isolante 
perfeito a uma temperatura de -273ºC, porque a esta temperatura não existe 
nenhum elétron livre. À medida que a temperatura vai aumentando, vai ocorrendo a 
quebra de ligações covalentes, assim como recombinações. A temperatura ambiente 
de 25ºC, um cristal de silício puro possui uma quantidade de par elétron-lacuna mais 
ou menos estável, devido as constantes quebras de ligações covalentes produzidas 
termicamente, assim como recombinações. 
 
Figura 8 - Cristal de silício a 25 graus Celsius 
Se submetermos um cristal de silício puro a uma DDP, nós vamos observar 
algo interessante, existem dois trajetos para os elétrons se movimentarem dentro do 
cristal, ou seja, teremos duas correntes elétricas, uma de elétrons livres e a outra de 
elétrons de valência. Os elétrons livres irão se deslocar de um lado para outro do 
cristal através da banda de condução, os elétrons de valência se deslocarão de um 
lado para outro do cristal através das lacunas, pulando de uma para a outra. 
 
Figura 9 - Cristal de silício submetido a uma D.D.P 
Corrente de elétrons livres e de lacunas 
O elétron livre mostrado dentro do cristal será atraído pelo terminal positivo da 
fonte, se deslocando dentro do cristal pela banda de condução, como indica a 
seta. Esta corrente de elétrons livres é de mesma natureza que a corrente que se 
estabelece nos materiais condutores. Observe a lacuna mostrada na figura 9. O 
elétron do ponto 1 pode ser atraído pela lacuna, se isso ocorrer, a lacuna na 
extremidade deixará de existir e onde estava o elétron no ponto 1, agora terá uma 
lacuna. A lacuna no ponto 1 agora pode atrair o elétron do ponto 2, onde passará a 
estar a lacuna. Se continuarmos este raciocínio, como mostram as setas, veremos 
que os elétrons estão se deslocando em direção ao terminal positivo e a lacuna em 
direção ao terminal negativo. Ao saírem pela extremidade do cristal, tanto elétron 
livre como elétron de valência, se tornam elétrons livres, seguem em direção ao 
terminal positivo da fonte, entram na fonte, saem pelo terminal negativo da mesma, 
entram na extremidade oposta do cristal. Alguns elétrons atravessam o cristal como 
elétrons livres, outros se recombinam e atravessam o cristal como elétron de 
valência. O movimento de elétrons de valência dentro do cristal pode ser visto como 
o movimento de lacunas em sentido contrário conforme figura 10. 
 
 
Figura 10 - Sentido do movimento de elétrons e lacunas 
Este movimento de elétrons de valência (ou de lacunas), é o que diferencia os 
semicondutores dos condutores. Num condutor só existe corrente de elétrons livres. 
A corrente de lacunas nos semicondutores é apenas uma analogia, porque quem se 
movimenta na verdade são os elétrons de valência, tenha isso sempre em mente. 
Na prática, não tem como medir a corrente de elétrons livres e de lacunas de 
forma independente dentro do cristal, mas saiba que elas existem e que o uso dos 
semicondutores na construção de dispositivos eletrônicos se deu, em grande parte, 
a partir desta característica. 
 
Semicondutores Intrínsecos 
É o nome dado a todo semicondutor puro. Um cristal de silício é intrínseco se 
todos os átomos do sólido forem de silício. A condutividade do silício a temperatura 
ambiente de 25ºC é tão baixa que não existe aplicação prática para o mesmo. Uma 
maneira de aumentar a condutividade de um cristal de silício é introduzindo átomos 
de impureza. 
 
Dopagem de um Semicondutor 
A dopagem de um semicondutor consiste em introduzir no cristal, átomos de 
impurezas. O objetivo da dopagem é aumentar a condutividade do cristal. Um 
semicondutor dopado com átomos de impurezas é um semicondutor extrínseco. 
 
Semicondutor Tipo N 
É um semicondutor que recebeu átomos pentavalentes, ou seja, átomos que 
possuem cinco elétrons na camada de valência. Como exemplos de substâncias 
pentavalentes, podemos citar o arsênio, antimônio e fósforo. Quando os átomos de 
impurezas se associam com os outros átomos, um dos elétrons da camada de 
valência, sobe para a banda de condução, porque ele só precisa de quatro elétrons 
na camada de valência para estabelecer a ligação covalente. Para cada átomo de 
impureza introduzido no cristal, aparecerá um elétron livre. Se forem introduzidos, 
por exemplo, 20 milhões de átomos de impurezas, o cristal terá 20 milhões de 
elétrons livres, sem contar os elétrons livres produzidos termicamente por causa da 
quebra de ligações covalentes. 
 
Figura 11 - Cristal de silício dopado com elemento pentavalente 
Quando um cristal de silício puro é dopado com átomos pentavalentes, ele se 
transforma num semicondutor tipo N. Ele agora possui uma grande quantidade de 
elétrons livres e algumas lacunas provenientes da quebra de ligações covalentes. A 
sua condutividade agora é maior, por causa dos elétrons livres. 
Semicondutor tipo N 
 
Figura 12 - Semicondutor tipo N 
Num semicondutor tipo N, os elétrons livres são chamados de portadores 
majoritários porque existe em maior quantidade, enquanto que as lacunas são 
chamadas de portadores minoritários por se encontrarem em menor quantidade.
 Embora cada átomo pentavalente introduzido no cristal tenha um elétron que 
foi empurrado para banda de condução, este elétron continua a pertencer ao átomo, 
ou seja, eletricamente falando, o átomo continua neutro. 
Semicondutor tipo P 
Um semicondutor tipo P é obtido através da injeção de átomos trivalentes no 
cristal puro. Como exemplos de impurezas trivalentes, podemos citar o alumínio, 
boro e gálio. Como um átomo trivalente possui três elétrons na camada de valência, 
uma lacuna será criada quando o mesmo for se associar com os átomos vizinhos 
através da ligação covalente. Para cada átomo de impureza, aparecera uma lacuna. 
 
Figura 13 - Cristal de silício dopado com elemento trivalente 
Um cristal dopado com átomos trivalentes é um semicondutor tipo P. Ele 
possui uma grande quantidade de lacunas e alguns elétrons livres produzidos 
termicamente, devido à quebra de ligações covalentes. Neste caso, as lacunas são 
os portadores majoritários e os elétrons livres são os portadores minoritários. 
Semicondutor tipo P 
 
Figura 14 - Semicondutor tipo P 
Da mesma forma que os elétrons livres no semicondutor tipo N aumentam a 
condutividade do cristal, o aumento do número de lacunas no semicondutor tipo P 
também aumenta a condutividade do cristal. A diferença é que no semicondutor tipo 
N, a condutividade aumenta na banda de condução e no tipo P, a condutividade 
aumenta na camada de valência, eletricamente falando, cada átomo de impureza no 
semicondutor tipo P, não ganhou nem perdeu elétrons, portanto continua 
eletricamente neutro. 
Semicondutor Extrínseco 
Quando um cristal puro é dopado, seja ele com impurezas pentavalentes ou 
trivalentes, ele se transforma em um semicondutor extrínseco, o que significa que 
ele não é mais puro. 
 
Resumo: Semicondutores são uma gama de materiais elétricos que apresentam 
tanto isolação, quanto condução, sob determinadas circunstâncias. O semicondutor 
intríseco é o elemento químico base para a fabricação do semicondutor usual. Os 
mais usuais são o Silício e o Germânio. Para produzir um semicondutor usual, dopa-
se o semicondutor intríseco com impurezas. Se utilizar uma impureza do tipo P (5 
elétrons na camada de valência), o resultado vai ser um lado P. Utilizando 
impurezas do tipo N (3 elétrons na camada de valência), dá-se o lado N. 
 
Junção PN 
No lado P, há lacunas livres (veja a lacuna como a ausência do elétron, 
deixando um “buraco”). No lado N, há o elétron livre. A junção PN é quando 
juntamos esse dois lados, P e N. O diodo semicondutor é formado por uma junção 
PN. 
 
 Figura 15 - Junção PN 
 
Diodo semicondutor 
É formado por uma junção PN e ilustrado em diagramas de circuitos 
eletrônicospelo símbolo ilustrado na figura 16, onde o terminal da seta indica o 
material p, denominado anodo do diodo, enquanto o terminal da barra representa o 
terminal n denominado de catodo do diodo. 
 
 
Figura 16 - Simbologia do diodo retificador 
 
A identificação dos terminais do componente real pode aparecer na forma de 
um símbolo impresso ou ainda o catodo pode ser identificado a partir de um anel 
impresso na superfície do componente. (Figura 17) 
 
 
 
Figura 17 - Identificação dos terminais nos componentes 
Polarização do diodo 
A aplicação de tensão sobre o diodo estabelece a forma como o componente 
se comporta eletricamente. A tensão pode ser aplicada ao diodo pela polarização 
direta ou pela polarização inversa do componente. 
 
a) Polarização direta 
A junção PN, por si só, é considerada uma chave aberta, pois entre o lado P e 
N, há uma barreira que os elétrons do lado N têm que vencer para chegar ao lado P. 
Para tanto, faz-se necessário à polarização dessa junção, para que a barreira seja 
vencida. Essa polarização é feita com uma tensão direta nos terminais (lados) da 
junção PN, atentando para que o potencial maior fique do lado P. Ao atingir um nível 
tal de tensão, a barreira é quebrada e os elétrons podem correr livres do lado N para 
o lado P. Diz-se agora que a junção PN conduz, isto é, vira uma chave fechada. No 
diodo de silício a tensão direta é de aproximadamente 0,6 V ou 0,7 V, enquanto no 
de germânio é de 0,2 V ou 0,3 V. (Figura 18) 
 
 
Figura 188 - Polarização direta do diodo retificador 
 
b) Polarização inversa 
A polarização inversa de um diodo ocorre quando o lado n fica submetido a 
um potencial positivo relativo ao lado p do componente. Nessa situação, os polos da 
fonte externa atraem os portadores livres majoritários em cada lado da junção; ou 
seja, elétrons do lado n e lacunas do lado p são afastados das proximidades da 
junção e o diodo se comporta como uma chave aberta. (Figura 19) 
 
 
Figura 19 – Polarização inversa do diodo retificador 
 
Diodo Ideal 
Por diodo ideal entende-se um dispositivo que apresenta características 
ideais de condução e bloqueio. Um diodo ideal, polarizado diretamente, deve 
conduzir corrente elétrica sem apresentar resistência, comportando-se como um 
interruptor fechado. O interruptor fechado é, portanto, o circuito equivalente para o 
diodo ideal em condução. Polarizado inversamente, o diodo semicondutor ideal deve 
comportar-se como um isolante perfeito, impedindo completamente o fluxo de 
corrente. O interruptor aberto é, portanto, o circuito equivalente para o diodo ideal na 
condição de corte. (Figura 20) 
 
 
Figura 20 - Diodo ideal 
 
Diodo Real 
 Neste tipo de modelagem consideramos que o diodo de silício conduz quando 
polarizado diretamente e a tensão nos seus terminais é de 0,6 V ou 0,7 Volts. 
Quando polarizado inversamente não interrompe completamente a passagem de 
corrente, permitindo a circulação de uma pequena corrente conhecida como corrente 
de fuga. 
 
Exercício resolvido 
 
1) Considerando os diodos como ideais, verifique as condições (1, 2 e 3) das 
lâmpadas do circuito da figura 21: 
 
 
Figura 21 - Circuito 
 
Condições: 
1) As lâmpadas que acendem; 
2) As lâmpadas que não acendem; 
3) As lâmpadas que acendem com sobrecarga e podem queimar. 
 
Solução: Fazendo uma análise visual, temos que L1 e L3 não acendem porque o 
diodo está reversamente polarizado. 
 
Refazendo a figura 4, eliminando L1 e L3, temos (figura 22): 
 
Figura 22 - Circuito refeito 
Observando a nova figura e considerando que todos os diodos são ideais e todas as 
lâmpadas iguais, temos que a lâmpada L2 estará com 12 Volts sobre seus terminais 
e, como foi projetada para uma tensão de 6 Volts, sua corrente irá aumentar a ponto 
de queimar e as lâmpadas L4 e L5 estarão cada uma com 6 Volts sobre seus 
terminais, em perfeito funcionamento. 
 
Resumo: 
1) As lâmpadas que acendem: L4 e L5 
2) As lâmpadas que não acendem: L1 e L3 
3) A lâmpada que acende com sobrecarga e queima: L2 
 
Testes e medições nos diodos 
 
Medição de diodos com o Ohmímetro analógico 
 
Procedimentos 
1) Realizar a leitura do diodo. 
2) Escolha a escala Rx1, junte as ponteiras e através do potenciômetro de ajuste do 
zero, localizado na parte superior do instrumento, lado direito, um pouco abaixo do 
visor, zere o ohmímetro. 
3) Coloque as ponteiras nos terminais do componente e realize a medição com o 
diodo polarizado diretamente e inversamente. 
 
4) Identificação dos terminais do diodo 
 
a) O anodo será o terminal que está aplicado à ponteira preta (+) do ohmímetro 
analógico quando ocorrer a deflexão do ponteiro do instrumento. 
b) O catodo será o terminal que está aplicado a ponteira vermelha(-) do 
instrumento na mesma condição citada acima. 
 
OBS.: No ohmímetro analógico, devido a polarização do instrumento, a 
ponteira vermelha assume potencial negativo, enquanto a ponteira preta, 
assume potencial positivo. 
OBS.: Em cada mudança de escala deve-se zerar o instrumento. 
 
Condições do diodo 
 
a) Diodo Bom → Quando polarizado diretamente apresenta baixa resistência 
(Escala Rx1) e polarizado inversamente alta resistência(ponteiro não 
deflexiona). Escala Rx10K. 
 
b) Diodo em curto → Quando polarizado diretamente e inversamente o ponteiro 
deflexiona (baixa resistência, próxima de zero). Escala Rx1. 
 
c) Diodo aberto → O ponteiro do instrumento não deflexiona polarizado 
diretamente e inversamente. Escala Rx1. 
 
d) Diodo em fuga → O ponteiro do instrumento deflexiona um pouco quando 
polarizado inversamente. Escala Rx10K. 
 
 Medição de diodos com o multímetro digital 
 
1) Realizar a leitura do diodo. 
2) Escolha a escala de diodo. 
3) Coloque as ponteiras nos terminais do componente e realize a leitura com o diodo 
polarizado diretamente e inversamente. 
 
4) Identificação dos terminais do diodo 
 
a) O anodo será o terminal que está aplicado à ponteira vermelha (+) do 
instrumento quando o display apresentar um valor diferente de 1. 
b) O catodo será o terminal que está aplicado a ponteira preta(-) do instrumento 
na mesma condição citada acima. 
 
Condições dos diodos. 
 
a) Diodo Bom → Quando polarizado diretamente apresenta no display um valor 
na faixa de 200 a 700 (dependendo do tipo do diodo) e inversamente um valor 
infinito(1). 
 
b) Diodo em curto → Quando polarizado diretamente e inversamente apresenta 
valor próximo de zero. 
 
c) Diodo aberto → Quando polarizado diretamente e inversamente apresenta 
valor infinito(1).