Estrutura Atômica e Semicondutores

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Introdução
Para entender como os diodos, transistores e circuitos integrados funcionam, você precisa primeiro estudar um pouco da estrutura atômica de alguns elementos, bem como os semicondutores, materiais que não são condutores nem isolantes. Os semicondutores contêm alguns elétrons livres, mas o que os faz diferentes é a presença de lacunas(estudadas posteriormente).
Condutores
	O cobre é um bom condutor. A razão desse fato fica clara quando olhamos sua estrutura atômica. O núcleo ou centro do átomo contém 29 prótons (+). Quando um átomo de cobre tem uma carga neutra, 29 elétrons(-) orbitam o núcleo, como os planetas em torno do Sol.
	Órbita
	Número máximo de elétrons
	Átomo de Cobre
	K
	2
	
	L
	8
	
	M
	18
	
	N
	32
	
	O
	32
	
	P
	18
	
	Q
	2
	
Órbitas Estáveis
O núcleo positivo atrai os elétrons planetários. A razão pela qual esses elétrons não se chocam com o núcleo é a força centrífuga ou força externa criada por seu movimento orbital. Quando um elétron está em uma órbita estável, a força centrifuga é exatamente igual à força de atração do núcleo. A força centrifuga diminui quando o elétron gira mais lentamente. É por isso que um elétron em uma órbita maior gira mais lentamente que um elétron em uma órbita menor. É necessária uma força centrífuga menor para anular a atração do núcleo.
A Parte Central do Átomo e o Elétron Livre
O núcleo e os elétrons internos não são de muito interesse no estudo da eletrônica. Nosso interesse maior serão as órbitas externas, também chamadas órbitas de valência. Essa órbita externa controla as propriedades elétricas do átomo. Para enfatizar a importância da órbita externa, podemos definir a parte central do átomo como sendo o núcleo e todas as órbitas internas. Para um átomo de cobre, a parte central é o núcleo (+29) e suas três primeiras órbitas (-28).
A parte central de um átomo de cobre tem uma carga líquida igual a +1 porque ele contém 29 prótons e 28 elétrons internos. Como o elétron de valência está numa órbita muito grande em torno da parte central com uma carga líquida de apenas +1, a atração pelo elétron externo é muito pequena. Em razão dessa pequena atração, o elétron externo é às vezes chamado elétron livre.
A Principal Ideia
	A ideia que você deve ter sempre em mente sobre um átomo de cobre é: como o elétron de valência é levemente atraído pela parte central, uma força externa pode facilmente deslocar esse elétron livre do átomo de cobre. Por isso o átomo de cobre é um bom condutor. A menor tensão pode fazer com que o elétron livre em um fio de cobre circule de um átomo para outro. Os melhores condutores (prata, cobre e ouro) possuem um simples elétron de valência.
SEMICONDUTORES
Um semicondutor é um elemento de valência quatro. Isso significa que um átomo isolado desse material possui quatro elétrons na sua órbita mais externa ou órbita de valência. O número de elétrons na órbita de valência é a chave para a condutibilidade. Os condutores possuem apenas um elétron de valência, semicondutores possuem quatro elétrons de valência e os isolantes, oito elétrons de valência.
O Germânio
O germânio é um exemplo de semicondutor:
O Silício
O material mais usado é o silício:
Fixando a ideia
O que acontece se o átomo de silício perder um elétron livre?
OS CRISTAIS DE SILÍCIO/Ligações Covalentes
	Quando átomos de Silício se combinam para formar um sólido, eles são arranjados segundo um padrão ordenado chamado cristal. Cada átomo cede um elétron na combinação, tornando o átomo central estável, uma vez que o mesmo fica com oito elétrons em sua órbita de valência.
	Na verdade, os elétrons não pertencem mais a um átomo isolado; eles são agora compartilhados pelos átomos adjacentes; cada parte central tem uma carga igual a+4. As partes centrais atraem o par de elétrons mais próximo com forças iguais e opostas entre eles, essas forças mantêm os átomos agrupados.
	Como cada elétron cedido está sendo puxado em sentidos opostos, o elétron é uma ligação entre as partes centrais; esse tipo de ligação química é conhecido como ligação covalente. Em um cristal de silício existem bilhões de átomos de silício, cada um com oito elétrons de valência; são as ligações covalentes que mantêm os átomos do cristal unidos, formando o sólido e produzindo a estabilidade; os oito elétrons de valência são chamados elétrons de ligação; um cristal de silício é um isolante quase perfeito na temperatura ambiente (aproximadamente 25°C).
Apenas Oito Elétrons de Valência
	Existem equações matemáticas avançadas que explicam parcialmente porque oito elétrons produzem a estabilidade química em diferentes materiais, mas nenhuma sabe na verdade porque o número oito é tão especial. É uma das leis experimentais, como a lei da gravidade.
A Energia Térmica Pode Dar Origem a uma Lacuna
A energia térmica em torno do cristal faz com que os átomos de silício vibrem dentro do cristal. Essa vibração é proporcional à temperatura, quanto maior a temperatura mais forte será a vibração mecânica dos átomos. Essas vibrações podem, ocasionalmente, deslocar um elétron da órbita de valência. Quando isso ocorre, o elétron liberado ganha energia suficiente para passar para outra órbita maior:
Recombinação e Tempo de vida
	Os elétrons livres se movem aleatoriamente através do cristal, ocasionalmente, um elétron livre se aproxima de uma lacuna é capturado. Essa união de um elétron livre e uma lacuna é chamada recombinação.
SEMICONDUTORES INTRINSECOS
	Um semicondutor intrínseco é um semicondutor puro. Um cristal será um semicondutor intrínseco se todos os átomos do cristal forem de silício. Na temperatura ambiente um cristal de silício comporta-se como um isolante, aproximadamente.
 O Fluxo de Lacunas e Elétrons Livres
	Observe a lacuna a esquerda, essa lacuna atrai o elétron de valência no ponto A. essa ação não é a mesma da recombinação, na qual um elétron livre cai em uma lacuna. Em vez de um elétron livre, temos um elétron de valência movendo-se para uma lacuna.
DOIS TIPOS DE FLUXO DE CORRENTE
	Os elétrons e as lacunas movem-se em sentidos opostos. A partir daqui, vamos visualizar a corrente em um semicondutor como o efeito combinado de dois tipos de fluxos: o fluxo de elétrons livre em um sentido e o fluxo de lacunas no sentido oposto. Os elétrons livres e as lacunas são chamados às vezes de portadores, porque transportam uma carga igual de um lugar para outro.
DOPAGEM DE UM SEMICONDUTOR
	Uma forma de aumentar a condutibilidade de um semicondutor é pela dopagem. Isso significa adicionar impurezas aos átomos de um cristal intrínseco para alterar sua condutibilidade elétrica. Um semicondutor dopado é chamado semicondutor extrínseco.
Aumentando o Número de Elétrons Livres e Lacunas
	As características dos materiais semicondutores podem ser alteradas pela adição de determinados átomos de impurezas no material semicondutor relativamente puro. Mesmo adicionada na razão de uma parte para 10 milhões essas impurezas são suficientes para alterar as propriedades elétricas do material.
	Há dois materiais extrínsecos imprescindíveis para a fabricação de um dispositivo semicondutor: o material do tipo ne o material do tipo p. Os materiais do tipo n e do tipo p são formados pela adição de um número predeterminado de átomos de impureza em uma base de germânio ou silício.
Material do Tipo n
	O material do tipo n é criado com a introdução de elementos de impurezas que têm cincoelétrons de valência (pentavalente), como o antimônio, o arsênio e o fósforo.
Elétron Livre
	As impurezas difundidas com cinco elétrons de valência são chamadas de átomos doadores.
	É importante frisar que, mesmo que um grande número de portadores “livres” tenham se estabelecido no material do tipo n, ele continua eletricamente neutro, pois o número de prótons ainda é igual ao numero de elétrons orbitando.
	Em um material do tipo n, o elétron é chamado de portador majoritário, e a lacuna é chamada de portador minoritário,por não ter havido variação significativa na quantidade de lacunas em relação ao nível intrínseco e o número de elétrons exceder, em muito, o número de lacunas.
Material do Tipo p
	O material do tipo p é obtido dopando-se um cristal de germânio ou silício puro com átomos de impurezas que possuam três elétrons de valência, como o boro, o gálio e o índio.
	As impurezas difundidas com três elétrons de valência são chamadas átomos aceitadores.
	O material do tipo p resultante é eletricamente neutro, assim como o material do tipo n, devido ao equilíbrio no numero de prótons e elétrons.
	Em um material do tipo p, a lacuna é o portador majoritário, e o elétron é o portador minoritário, uma vez que o número de lacunas excede o número de elétrons.
Junção PN
Por si só, um pedaço de material semicondutor tipo n tem a mesma função de um resistor, o mesmo pode ser dito do semicondutor do tipo p. Mas “quando um fabricante” dopa um cristal, de modo que metade seja do tipo p e metade do tipo n, acontece um fato novo. 
A borda entre o tipo p e o tipo n é chamada junção pn. A junção pn deu origem a todos os tipos de diodos, transistores e circuitos integrados.
O Diodo
Quando os materiais são “unidos”, os elétrons e as lacunas da região de junção se combinam, resultando em uma ausência de portadores livres na região próxima à junção.
Essa região descoberta constituída de íons positivos e negativos é chamada de região de depleção devido à depleção de portadores nessa região.
Como o diodo é um dispositivo de dois terminais, a aplicação de uma tensão através de seus terminais permite três possibilidades: Nenhuma polarização, polarização direta e polarização reversa.
Sem Polarização
Cada vez que um elétron se difunde através da junção, ele gera um par de íons; quando um elétron sai do lado n, ele deixa para trás um átomo pentavalente, esse átomo passa a ser um íon positivo. Após a imigração, o elétron cai em uma lacuna do lado p e faz com que o átomo trivalente que o capturou torne-se um íon negativo. De forma “direta”, quando est á sem polarização, o diodo permanece sem fluxo em ambas as direções tendo em vista a anulação dos vetores na região de depleção. 
Sem polarização
Logo: se VD=0 Volts, ID=0 mA.
Na ausência de uma tensão de polarização, o fluxo de carga em qualquer sentido para um diodo semicondutor é zero.
Polarização Reversa
	Se um potencial externo V volts for aplicado na junção pn de maneira que o terminal positivo esteja conectado ao material do tipo n e o terminal negativo esteja ligado ao material do tipo p, o número de íons positivos na região de depleção do material do tipo n aumentará devido ao grande número de elétrons “livres” arrastados para o potencial positivo da tensão aplicada. Por razões semelhantes o número de íons negativos aumentará no material do tipo p.
Junção pn reversamente polarizada
Portanto o efeito será uma ampliação da região de depleção. Essa ampliação estabelecerá uma barreira grande demais para os portadores majoritários superarem, reduzindo, efetivamente, o fluxo de portadores majoritários a zero.
	A corrente existente sob a condição de polarização reversa é chamada de corrente de saturação reversa e é representada por IS.
	A corrente de saturação reversa dificilmente ultrapassa alguns microampères, exceto para dispositivos de alta potência.
Condição de polarização reversa para um 
Diodo semicondutor
Polarização Direta
	Uma condição de polarização direta ou de “condução” é estabelecida aplicando-se o potencial positivo ao material do tipo p e o potencial negativo ao material do tipo n.
Junção pn diretamente polarizada
A aplicação de um potencial de polarização direta VD “forçará” os elétrons do material do tipo n e as lacunas do material do tipo p a se recombinarem com os íons próximos da fronteira e a reduzirem a largura da região de depleção, essa redução resulta em um fluxo intenso de portadores majoritários através da junção.
Os elétrons do material do tipo n “encontram” agora uma barreira reduzida na junção, devido à região de depleção reduzida e a uma forte atração pelo potencial positivo aplicado ao material do tipo p. A tensão através de um diodo polarizado de modo direto será geralmente menor que 1V.
Condição de polarização direta para um 
Diodo semicondutor
	Observe que o sentido de condução coincide com a seta do símbolo.
Simbologia do Diodo
	Na simbologia do diodo semicondutor a seta está associada ao componente do tipo p e a barra à região do tipo n, veja figura:
Diodo Ideal x Diodo Real
	“Um diodo semicondutor conduz bem na polarização direta e conduz mal na polarização reversa”. Idealmente, um “diodo retificador” funciona como um perfeito condutor (resistência zero) quando diretamente polarizado, comparando-se a uma chave fechada; e como um perfeito isolante (resistência infinita) quando polarizado reversamente, comparando-se a uma chave aberta.
	Gráfico do Diodo Ideal (aproximações) e circuitos equivalentes:
Região de Polarização Reversa
V
D
Zona de Não Condução
Sem Polarização
Região de Polarização 
Direta
	Por ter, o diodo, valores de resistência muito baixos costuma-se utilizar para cálculos de circuitos com diodos a segunda ideia de circuito equivalente, considerando apenas sua barreira de potencial (0,7 V para Silício e 0,3 V para Germânio).	
	Exemplo:
	Calcule a corrente na carga, sabendo que o diodo é de Silício.
Curva Característica do Diodo
De acordo gráfico, para o diodo há um valor da tensão gerado pela região de depleção. Esse valor é de aproximadamente 0,7 volts para o silício e para o germânio é de 0,3 volts. Nota-se que para valores abaixo de 0,7 há uma pequena passagem de corrente e quando este valor é ultrapassado há uma passagem de níveis elevados de corrente elétrica. É possível ver também que no lado esquerdo do gráfico, há a parcela da corrente de saturação para quando ocorrer polarização reversa. Esta parcela é na ordem de micro ou nano ampères. Existe uma tensão VZ, chamada de tensão zener. Esta situação é a máxima tensão possível que poder ser colocada reversamente. Se for aplicada uma tensão maior que o permitido, haverá uma condução reversa que poderá danificar tanto o diodo, bem como o circuito associado.
Observação:
O potencial máximo de polarização reversa que pode ser aplicado antes que o diodo entre na região Zener é chamado de Tensão de Pico Inversa (ou simplesmente PIV – Peak Inverse Voltage) ou Tensão de Pico Reversa (PRV – Peak Reverse Voltage).
Comparação: Diodos de Silício e Germânio
	Propriedades
	Silício
	Germânio
	Tensão PIV (Tensão de Pico Inverso)
	1000 V
	400 V
	Temperatura de Aplicação
	200 °C
	100 °C
	Zona de Condução (VD)
	0,7 V
	0,3 V
Ponto de Operação
	A carga aplicada tem normalmente um impacto importante sobre o ponto ou região de operação de um dispositivo. Se a análise for feita de forma gráfica, uma reta poderá ser desenhada sobre a curva característica do dispositivo, a qual representa a carga aplicada. A interseção da reta de carga com a curva característica determinará o ponto de operação do sistema. Esse é um recurso usado para calcular o valor exato da corrente e da tensão no diodo.
	O ponto de operação é normalmente chamado de ponto quiesciente (abreviado por “pt Q”) para refletir suas qualidades de imobilidade, inércia definidas para um circuito corrente contínua.
	
Suponha o circuito a seguir:
Como podemos calcular os valores exatos de corrente e tensão?
	Aplicando a lei de Kirchhoff para tensões no circuito em série, temos:
	E – VD – VR = 0 
ou	E = VD + ID R
	Logo: em qualquer ponto do eixo horizontal ID= 0 A e em qualquer ponto do eixo vertical VD = 0 V; Se atribuirmos VD = 0 V na equação e a solucionarmos para ID teremos o valor de ID no eixo vertical. 
Portanto com VD = 0 V, a equação se torna:
	E = VD + ID R
	E = (0 V) + ID R
	ID=
	
	
Se atribuirmos ID= 0 A na equação e a solucionarmos para VD, teremos o valor de VDno eixo horizontal. 
	
Logo, com ID= 0 A, a equação se torna:
	E = VD + ID R
	E = VD + (0 A)R
	E = VD
	VD = E
	
Agora temos uma reta de carga definida pelo sistema e uma curva característica definida pelo dispositivo. O ponto de interseção entre ambas representa o ponto de operação para esse circuito.
Linha de Carga
Curva característica
Ponto de operação
	(Ir a exercício 01)(Ir a exercício 02)
	A reta de carga é determinada unicamente pelo circuito empregado, enquanto a curva característica é definida pelo dispositivo escolhido.
	
	Os resultados obtidos utilizando a curva característica completa do diodo são similares aos obtidos utilizando a curva característica do diodo usual; o que sugere o uso do modelo usual por não haver a necessidade de reproduzir fielmente a curva do diodo nem a necessidade de escalas grandes para o gráfico.
	
Retificação – Meia-onda e Onda Completa (com filtro e sem filtro)
	As empresas distribuidoras de energia no Brasil fornecem um padrão monofásico de 127V ou 220V em corrente alternada CA, na maioria dos equipamentos essa tensão é reduzida para valores inferiores, compatíveis com dispositivos eletrônicos (24V – 12V – 5V) através de transformadores e depois convertidos em corrente contínua CC; essa conversão de CA em CC é conhecida como retificação, pode ser de meia onda ou onda completa, com filtro ou sem filtro e é realizada através de diodos retificadores.
	O gráfico abaixo representa de forma simplificada o formato de onda da tensão distribuída no Brasil:
	O valor RMS (valor eficaz) da tensão é igual a 70,7% do valor máximo ou valor de pico:
	VRMS= 0,707 VP
Retificação de meia onda
	O circuito mais simples capaz de converter uma corrente alternada em corrente contínua é o retificador de meia onda.
	Observando, percebemos que no semiciclo positivo da tensão o diodo está polarizado diretamente, porém no semiciclo negativo ele está polarizado reversamente. Utilizando a ideia do diodo ideal percebemos que o semiciclo positivo aparecerá na carga, porém o semiciclo negativo não.
	O valor CC médio pode ser descrito como:
	VCC = 0,318 VP
	
Onde VP é o valor de pico do sinal de meia onda na carga. 
Exemplo: 
Para uma tensão de pico de 34 V o valor CC médio seria: VCC = 0,318 (34 V) = 10,8 V.
Para o diodo diretamente polarizado, para os valores de tensão menores que 0,7 V (Si), o diodo é um circuito aberto. 
Sendo assim: VCC ≡ 0,318 (Vp - VD).
Invertendo o diodo, a tensão de saída será negativa, o diodo conduzirá apenas no ciclo negativo, devendo ser respeitado o PIV, que deverá ser maior que o valor de pico da tensão:
Obs.: A frequência do sinal de saída continuará sendo o mesmo valor de frequência da rede.
Retificação de meia onda com filtro
A tensão de saída de um retificador aplicada em uma carga é pulsante, a maioria dos circuitos eletrônicos necessita de uma tensão estável ou constante, como a de uma bateria; para obter esse tipo de tensão retificada na carga precisamos de filtro.
O tipo mais comum é o filtro com capacitor em paralelo com o circuito de carga:
Tensão
CA
Rede
A tensão CC na carga agora é mais estável ou quase constante, a única diferença para uma tensão CC pura é a pequena ondulação ripple causada pela carga e descarga do capacitor. Quanto menor a ondulação melhor; uma forma de reduzir essa ondulação é pelo aumento da constante de tempo de descarga que é igual a RLC.
Retificador de onda completa
O nível de tensão CC obtido a partir de uma entrada senoidal CA pode ser melhorado 100% utilizando um processo chamado de retificação de onda completa, podendo ser em um circuito de tomada central ou em ponte, sendo o circuito em ponte o mais usado. Nesses casos a frequência do sinal de saída passa a ser duas vezes a frequência do sinal de entrada. Como resultado a "ondulação é menor" e a tensão de saída CC mais próxima do valor de pico.
Configuração em Tomada Central
Configuração em Ponte
Para os dois tipos, como a área acima do eixo do gráfico para um ciclo agora é o dobro da área obtida para um circuito de meia onda, o nível de CC também foi dobrado:
Sendo: VCC = 0,636 VM
Levando em conta a queda de tensão dos diodos temos:
VCC = 0,636 ( VP - 2VD).
Retificação de onda completa com filtro
No circuito de retificação de onda completa também são usados capacitores como filtro, em paralelo com o circuito de carga:
"A eletrônica não é uma ciência exata como a matemática pura," por isso utilizaremos mais uma vez a idéia de que o diodo não possui resistência interna (mesmo possuindo uma resistência mínima, como visto anteriormente) e levaremos em conta apenas sua queda de tensão VD, logo:
VCC = VP - 2VD
Exercício: