Cap 2 - Diodo E Transistores Semicondutor

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Cap2: Díodo e Transístores Semicondutores
 2.1 Física dos Semicondutores (Introdução)
 2.2 Díodo – Polarização do Díodo
2.2.1 Curva Característica do Díodo
2.2.2 Recta de Carga Estática – Ponto de Funcionamento
 2.3 Tipos de Díodos – Aplicação
 2.4 Transístor Bipolar
 2.5 Funcionamento de Transístores Bipolares
 2.6 Polarização de Transístores
 2.7 Tipos e Aplicação dos Transístores
2.1 Física dos Semicondutores (Introdução)
A física dos semicondutores é o ramo da física que estuda os
materiais semicondutores. Fundamenta-se na quantidade
de elétrons na camada de valência dos átomos do dispositivo a
circular em uma corrente elétrica, e no manuseio de outros tipos de
substâncias chamadas de "impurezas" que podem ser do
tipo N ou P e que ao serem misturadas com esses átomos alteram o
estado de elétrons livres no composto.
2.1 Física dos Semicondutores (Introdução)
Funcionamento dos semicondutores
As misturas do tipo N têm cinco elétrons na camada de valência, e ao serem misturados
com a base de valência de quatro elétron (como o germânio ou o silício) aumentam o
numero de elétrons livres no composto, já que a ligação covalente dos átomos deixaria
um elétron sobrando, e esse elétron que sobra vira um elétron livre, aumentando
drasticamente a condutividade do composto.
As “impurezas” do tipo P têm apenas três elétrons de valência, e na ligação covalente com
a base (quatro elétrons de valência) ficaria faltando um elétron na ligação (7 – 8 = - 1),
deixando uma “lacuna” nessa ligação. Essa lacuna funciona como um potencial positivo
para o escoamento da corrente, e assim o fluxo de elétrons tende a ir da junção base-N,
onde sobram elétrons, para a junção base-P onde faltam elétrons.
2.2 Díodo – Polarização do Díodo
A eletrônica sem dúvidas é uma área extremamente extensa, sendo que entre sua
infinidade de componentes temos um que é fundamental para a eletrônica, presente em
quase todos os equipamentos ou dispositivos eletrônicos, que é o díodo semicondutor.
Pensando na sua importância para elétrica como um todo, iremos falar o que é um
díodo semicondutor, para que serve o díodo semicondutor, quais as características do
díodo e como funciona um díodo semicondutor.
Os díodos semicondutores são componentes eletrônicos, que são construídos por um
material semicondutor, sendo de silício ou germânio. Este material permite que sua
capacidade de condução seja alterada, devido à combinação de alguns fatores, como por
exemplo a adição de impurezas nestes materiais, mais conhecida como dopagem, além
da forma com que este componente será alimentado.
2.2 Díodo – Polarização do Díodo
Díodos semicondutores são utilizado em aparelho, equipamentos e dispositivos
eletrônicos, como por exemplo televisão, celular, computador, aparelhos de som,
multímetros, carregadores, controle remoto para televisão e entre muitos outros.
É importante destacar que são muitos os diversos tipos de díodos, cada um para sua
devida aplicação. A simbologia mais comum que encontramos é do díodo retificador,
como mostramos na imagem abaixo:
2.2 Díodo – Polarização do Díodo
Podemos comparar um díodo a uma válvula hidráulica que possibilite passar a água
num sentido e impedindo no sentido contrário.
2.2 Díodo – Polarização do Díodo
O díodo é construído a partir de materiais semicondutores, que são fundidos para criar
uma junção entre um cristal tipo P e outro cristal tipo N, sendo que o cristal tipo P
representa a polaridade positiva do díodo, chamada de ânodo e o cristal tipo N
representa a polaridade negativa do díodo, chamada de cátodo.
A polaridade positiva de um díodo é onde há falta de elétrons, de forma que essa região
onde tem a falta de elétrons seja chamada de lacuna, porém a polaridade negativa é onde
existe a maior concentração de elétrons.
Ao juntar os cristais tipo N e tipo P as lacunas do lado positivo irão atrair os elétrons que
estão sobrando no lado negativo, dessa forma acaba ocorrendo o equilibrando entre as
cargas, ou seja, ocorrendo uma recombinação das cargas.
2.2 Díodo – Polarização do Díodo
É importante destacar que está recombinação só ocorre no centro desta junção,
pois lá as forças de atração são mais fortes, nesta área os elétrons ficam estáveis
quimicamente. Porém os elétrons mais distantes não sofrem essa recombinação,
devido a força de atração ser menor, de forma que esta zona de estabilidade
central é chamada de camada de depleção, ou, barreira de potencial.
2.2 Díodo – Polarização do Díodo
Portanto, podemos concluir que a condução de corrente elétrica vai depender da
maneira com que o díodo vai ser polarizado, ou seja, se a sua junção será
polarizada de forma direta ou reversa. Iremos mostrar como o díodo se comporta
de acordo com a maneira com que ele é polarizado, os exemplos abaixo são para o
díodo de silício, que para começar a conduzir necessitam de uma tensão de no
mínimo de 0,7V, em teoria, mas que na prática pode começar a conduzir com uma
tensão ainda menor.
2.2 Díodo – Polarização do Díodo
Polarização reversa:
Quando o díodo é polarizado reversamente o polo positivo da fonte de tensão é conectado
ao lado negativo (N) da junção PN do díodo, isso faz com que a barreira de potencial
aumente, ou seja, aumentando esta barreira de potencial a resistência do circuito será
muito alta, não permitindo a passagem da corrente elétrica. Isso ocorre porque as cargas
positivas da fonte atraem as cargas negativas da camada N e vice-versa. A imagem
abaixo mostra perfeitamente como acontece este processo:
Polarização inversa a lâmpada não acende
2.2 Díodo – Polarização do Díodo
Polarização direta:
O díodo sendo polarizado diretamente, o polo positivo da fonte de tensão está conectado
ao lado positivo (P) do díodo. Isso faz com que o lado positivo torne-se ainda mais
positivo, e o lado negativo (N) ainda mais negativo, ou seja, as cargas elétricas
conseguem atravessar a barreira de potencial existente entre o lado P e o lado N do
díodo, permitindo a condução de corrente elétrica. Isso ocorre porque as cargas positivas
da fonte atraem as cargas negativas da camada N e vice-versa.
Veja na imagem abaixo que quando o díodo está sendo alimentado por uma tensão
inferior a 0,7V ele não conduz corrente elétrica, devido a sua barreira de potencial, mas
quando o díodo é polarizado com uma tensão suficiente, sua barreira de potencial é
rompida e o díodo passa a conduzir elétrons.
2.2 Díodo – Polarização do Díodo
Polarização directa a lâmpada
acende.
2.2.1 Curva Característica do Díodo 
Um díodo é um dispositivo constituído por uma junção de dois materiais
semicondutores (em geral silício ou germânio dopados), um do tipo n e o outro do tipo
p, ou de um material semicondutor e de um metal, sendo usualmente representado pelo
símbolo da Figura. Aos terminais A e K dão-se respetivamente os nomes de Ânodo e
Cátodo.
Este dispositivo permite a passagem de corrente, com facilidade, num sentido, e
oferece uma grande resistência à sua passagem no sentido contrário.
2.2.1 Curva Característica do Díodo 
Assim, quando o Ânodo (A) estiver a um potencial positivo em relação ao Cátodo (K), o
díodo conduz e a corrente terá o sentido (convencional) indicado pela seta. Nestas
condições diz-se que o díodo está diretamente polarizado. Quando o Ânodo estiver a um
potencial negativo em relação ao Cátodo, o díodo não conduz e a corrente, que teria o
sentido contrário ao da seta, não é autorizada a passar. Nestas condições diz-se que o
díodo está inversamente polarizado.
2.2.1 Curva Característica do Díodo 
No gráfico pode-se ver a corrente do díodo em função da tensão nos seus terminais,
que resulta do comportamento físico da junção p-n. A tensão e a corrente são
consideradas positivas quando o dispositivo se encontra diretamente polarizado. A
variação da corrente do díodo semicondutor com a tensão aos seus terminais tem uma
forma quase exponencial: em boa aproximação a corrente I é dada por:
2.2.1 CurvaCaracterística do Díodo 
onde q é a carga do eletrão,(≈ 1,6 10-19 C) V a tensão aos terminais do díodo, k a
constante de Boltzman (≈ 1,38 10-23 J /K), T a temperatura absoluta e Is uma constante
designada por corrente de saturação. À temperatura ambiente (300 K) tem-se:
Este comportamento pode ser aproximado, em certas aplicações, de um díodo ideal ou
por uma característica linearizada (ver figura).
2.2.1 Curva Característica do Díodo 
Na figura: Curvas características e correspondentes modelos elétricos do díodo. Da
esquerda para a direita: díodo ideal; díodo com comportamento ideal mas com uma
tensão limiar de condução; díodo com característica linearizada. (V D - tensão limiar de
condução, RD - resistência de condução direta).
2.2.2 Recta de Carga Estática – Ponto de Funcionamento 
Determinação da característica (I, V) de um díodo.
O díodo é um componente não-linear. Assim, o cálculo da corrente que atravessa um
circuito com um díodo torna-se um pouco mais complicado que no caso de circuitos
lineares. A título de exemplo, vamos determinar a corrente no circuito indicado na figura.
2.2.2 Recta de Carga Estática – Ponto de Funcionamento 
Se o díodo estiver bem dentro da zona de condução, a sua tensão é aproximadamente
constante, neste caso ~0.65V (ver na secção 1.1 as características aproximadas de um
díodo). Assim, podemos substituir o díodo, nos cálculos, por uma fonte de tensão de 0,7 V
(VD=0,7 V), e tratar o circuito como um circuito linear, obtendo-se a equação:
Este processo simplificado, útil em muitas situações, não pode ser utilizado quando se
pretenda um rigor mais elevado, ou quando o díodo não esteja em condução franca. Para
estas situação, dispõe-se de duas equações: a que define a característica do díodo
(equação (1)) e a que resulta das equações de Kirchoff:
2.2.2 Recta de Carga Estática – Ponto de Funcionamento 
Estas duas equações permitem-nos determinar o ponto de funcionamento. A solução é
laboriosa em virtude de envolver uma equação transcendente (pressupõe-se o
conhecimento da equação V(I) para o díodo em consideração):
2.2.2 Recta de Carga Estática – Ponto de Funcionamento 
No entanto, a solução pode achar-se facilmente. Esta última equação pode ser resolvida
de forma gráfica se dispusermos da curva característica do díodo:
1º membro: curva característica Idíodo (V), não linear
2º membro: recta de carga I = Idíodo = 5/100 - VD/100
A solução corresponde ao ponto de intersecção
das duas linhas (em que I=I Díodo e V=V
díodo), obtendo-se I = 44 mA.
2.3 Tipos de Díodos
Díodo semicondutor: Tipos e Aplicações
Como já sabemos, os díodos semicondutores estão presentes nos diversos tipos de
equipamentos, dispositivos e aparelhos eletrônicos, cada um desempenha uma
determinada função. Os díodos semicondutores mais conhecidos são os díodos
retificadores e os díodos emissores de luz (LED`S), também conhecidos como foto-díodos.
O díodo retificador é utilizado para converter sinais em corrente alternada para corrente
contínua, mantendo apenas um semiciclo da onda senoidal, daí o seu nome “retificador”.
Além disso, o díodo retificador pode ser utilizado normalmente para qualquer aplicação
que seja necessário a passagem da corrente em apenas um único sentido ou funcionando
como proteção para o circuito, evitando que o mesmo seja danificado caso se alimentado
de forma errada, por exemplo.
2.3 Tipos de Díodos
2.3 Tipos de Díodos
O díodo emissor de luz LED é o que geralmente as pessoas possuem um maior
conhecimento, pois eles estão presentes no celular, máquina de lavar, televisão,
computador, lanternas, controles remotos para televisões, lâmpadas, carregadores e
entre outros, sendo usados por exemplo para indicar o estado de operação de um
determinado dispositivo ou para iluminação.
Ainda existem muitos outros tipos de díodos, sendo que alguns são utilizados como
estabilizadores de tensão, como é o caso do díodo zener por exemplo. Além disso citar
outros tipos de díodos, como o díodo túnel, díodo gunn, díodo schottky, díodo varicap
entre outros.
2.3 Tipos de Díodos
Díodo Zener Funciona na zona de avalanche, e é utilizado como referência de tensão (a tensão
varia pouco com a corrente nessa zona).
Varistor ou varicap Todos os díodos apresentam uma capacidade que é variável com a tensão
aplicada. Os varistores são díodos especialmente desenhados para se obter
uma capacidade fortemente dependente da tensão. São usados em
osciladores cuja frequência é controlada por tensão (VCO).
Fotodíodo Quando a zona da junção recebe luz, geram-se pares de portadores de carga
(eletrão-vazio) que geram uma tensão ou uma corrente no dispositivo. Existe,
assim, conversão optoelectrónica. Estes dispositivos são utilizados como detetores
de luz, nas mais diversas aplicações.
2.3 Tipos de Díodos
LED Para certos tipos de materiais semicondutores, quando é injetada uma corrente na
junção do díodo, é gerada radiação eletromagnética na zona do visível ou
infravermelho próximo (conversão eletro-óptica). Existem componentes em que
vários LED estão dispostos sob a forma de traços ou pontos numa matriz,
permitindo a apresentação de algarismos e letras (displays).
2.4 Transístor Bipolar
O termo transistor vem da expressão em inglês "transfer resistor" que significa resistor de
transferência. É um componente que apresenta resistência (impedância) variável entre dois
terminais. Essa resistência é controlada por um terceiro terminal.
Por sua característica controladora de corrente, o transistor pode ser usado como amplificador
de sinais ou como "interruptor eletrônico" em aplicações como equipamentos de som,
imagem, controles industriais, máquinas, calculadoras, computadores.
Para realizar esse trabalho, existem alguns tipos de transistores:
 Transistor bipolar (NPN ou PNP);
 Transistor de unijunção (UJT);
 Transistor de efeito de campo (FET e MOS-FET);
O termo transistor vem da expressão em inglês "transfer resistor" que significa resistor de
transferência. É um componente que apresenta resistência (impedância) variável entre dois
terminais. Essa resistência é controlada por um terceiro terminal.
Por sua característica controladora de corrente, o transistor pode ser usado como amplificador
de sinais ou como "interruptor eletrônico" em aplicações como equipamentos de som,
imagem, controles industriais, máquinas, calculadoras, computadores.
Para realizar esse trabalho, existem alguns tipos de transistores:
 Transistor bipolar (NPN ou PNP);
 Transistor de unijunção (UJT);
 Transistor de efeito de campo (FET e MOS-FET);
2.4 Transístor Bipolar
O transístor bipolar é o mais comum e também o mais usado. Sua estrutura básica
se compõe de duas pastilhas de material semicondutor do mesmo tipo. Entre
essas pastilhas é colocada 'uma terceira, bastante fina, de material diferente,
formando uma configuração semelhante a um sanduíche.
A configuração da estrutura do transistor bipolar permite que se obtenham dois
tipos tintos de transistores bipolares: NPN e PNP.
2.4 Transístor Bipolar
Os dois tipos de transistores podem cumprir as mesmas funções diferindo apenas
na forma como as fontes de alimentação são ligadas ao circuito eletrônico.
2.4 Transístor Bipolar
Terminais do transistor bipolar
Cada uma das pastilhas que formam o conjunto recebe terminal para que o componente
possa ser conectado ao circuito eletrônico. Cada terminal recebe uma designação para
que se possa distinguir cada uma das pastilhas.
Assim, a pastilha central é denominada base e representada pela letra B. Uma das
pastilhas externas é denominada de coletor e é representada pela letra C. A outra pastilha
externa é denominada emissor e é representada pela letra E. A figura a seguir apresenta
os dois tipos de transístores com a identificação dos terminais.
2.4 Transístor Bipolar
Embora as pastilhas do coletor e emissor sejam do mesmo tipo de material semicondutor, existe
diferença de volume de material semicondutor e deintensidade de dopagem entre as pastilhas.
O emissor é densamente dopado, enquanto que a base é levemente dopada. O coletor possui
maior volume e, por isso, dissipa mais potência; a intensidade de sua dopagem é intermediária
em relação à dopagem das outras duas pastilhas.
Por esse motivo, as ligações do coletor e do emissor no circuito eletrônico não são
intercambiáveis
2.4 Transístor Bipolar
Simbologia
A norma NBR 12526/92 define o símbolo gráfico do transístor. A figura a seguir
apresenta os símbolos dos transístores NPN e PNP, indicando a designação dos
terminais. A diferença entre os símbolos dos dois transístores esta apenas no
sentido da seta do terminal emissor.
2.5 Funcionamento do Transístor Bipolar
Tensão e corrente em transistores bipolares NPN e PNP
Tensão e corrente transístor PNP
VEC = VEB + VBC
Tensão e corrente NPN
VCE = VBE + VCB
A corrente de emissor (IE) é igual à soma da corrente de base (IB) com a corrente de coletor (IC).
IE = IB + IC
2.5 Funcionamento do Transístor Bipolar
ZonasDe Funcionamento Dos Transístores Bipolares
Em cada transístor bipolar existem duas junções que irão apresentar zonas de
funcionamento diferentes, consoante as junções base-emissor e base-coletor se
encontram polarizadas direta ou inversamente.
Os transístores têm três zonas de funcionamento distintas:
 Zona Corte - Ambas as junções estão polarizadas inversamente
2.5 Funcionamento do Transístor Bipolar
ZonasDe Funcionamento Dos Transístores Bipolares
 Zona de Saturação - Ambas as junções estão polarizadas diretamente
2.5 Funcionamento do Transístor Bipolar
ZonasDe Funcionamento Dos Transístores Bipolares
 Ativa - Junção base-emissor polarizada diretamente e junção base coletor
polarizada inversamente
Transistor como Amplificador
Um transístor funciona como amplificador, quando a corrente de base oscila entre
zero e um valor máximo. Neste caso, a corrente de coletor é um múltiplo da corrente
de base. Se aplicarmos na base do transistor um sinal, vamos obter uma corrente
mais elevada no coletor proporcional ao sinal aplicado:
2.5 Funcionamento do Transístor Bipolar
Ganho de um transístor
O ganho de um transístor, é uma característica do transístor, é o factor de multiplicação da 
corrente de base (Ib) ou Beta ß ou hfe do transístor.
A formula matemática que permite fazer o cálculo é :
Ic = Ib x ß
* Ic: corrente de coletor
* Ib: corrente de base
* ß : beta (ganho)
2.5 Funcionamento do Transístor Bipolar
 Existem algumas especificações definidas pelo fabricante
 Ref ou Tipo: é o nome do transistor.
 VCE0: tensão entre coletor e emissor com a base aberta.
 VCER: tensão entre coletor e emissor com uma resistência no emissor.
 Pol: polarização; N=NPN e P=PNP.
 PTOT: Potência máxima que o transistor pode dissipar
 Ft: Frequência máxima.
 Encapsulamento: Cápsula do transístor que define cada um dos terminais.
Existem, valores máximos de funcionamento para IC, IB, VCE e VBE para além da potencia de
funcionamento P=IC . VCE e temperatura. Quando o transistor está dentro dos parâmetros de
funcionamento IC=hFEIB= ßIB tipicamente ß=100.
2.5 Funcionamento do Transístor Bipolar
ZonasDe Funcionamento Dos Transístores Bipolares
PNPNPN
ModeloCondiçõesModeloCondiçõesZona
IC = 0 IE = 0
IB = 0
VEB < 0.7V
VCB < 0.7V
IC = 0
IE = 0
IB = 0
VBE < 0.7V
VBC < 0.7VCorte
VEB =0.7V
IC = β* IB
IE = IC+IB
ou
IE = (β+1)*IB
VEB = 0.7V
VCB < 0.7V
VBE =0.7V
IC = β* IB
IE = IC+IB
ou
IE = (β+1)*IB
VBE =0.7V
VBC <0.7VAtiva
VEB =0.8V
VEC =0.1V
IE = IC+IB
VEB = 0.8V
VCB = 0.7V
VBE =0.8V
VCE =0.1V
IE = IC+IB
VBE = 0.8V
VBC = 0.7VSaturação
2.5 Funcionamento do Transístor Bipolar
ZonasDe Funcionamento Dos Transístores Bipolares
Região de Ruptura (Breakdown)
Existe um valor limite de tensão
especificado, acima do qual o transistor
sofre algum dano ou avaria. Tal valor
máximo nunca poderá ser portanto
ultrapassado quando da operação
nessa zona.