eletronica_analogica_cap1 (1)

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Capítulo 1 – Materiais Semicondutores e Diodo 
 
1.1 - Introdução 
 
Este capítulo contém os conhecimentos básicos para o início do estudo de Eletrônica Analógica. 
Serão apresentados, de maneira simplificada, alguns aspectos físicos que justificam o 
comportamento dos materiais semicondutores quando comparados aos materiais condutores e 
materiais isolantes. Ao final, apresenta-se o princípio de funcionamento de uma junção PN que 
forma o primeiro componente eletrônico a ser estudado: o Diodo. 
 
1.2 – Materiais Semicondutores. 
*Um material condutor pode sustentar um fluxo de corrente quando submetido a uma 
diferença de potencial aplicada por uma fonte externa de tensão. 
*Um material isolante apresenta um nível muito baixo de condutividade quando é aplicada uma 
tensão entre seus terminais. 
*Já um material semicondutor possui um nível de condutividade intermediário entre aos 
apresentados pelos condutores e isolantes. 
*A propriedade inversa da condutividade é a resistência que um material apresenta em relação 
à passagem de uma corrente elétrica. 
 
 (1.1) 
 
*Nesta equação, ρ é a resistividade. Em unidades métricas, a resistividade é medida em Ω-cm 
a partir da relação abaixo. 
 
 
 
 
 
 
 Figura 1. Definição das unidades métricas de resistividade. 
 
*Para efeito de comparação da resistividade entre as três classes de material, observe o 
quadro abaixo: 
 
 
 
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*O quadro mostra os valores de resistividade do Germânio e do Silício, que é o material 
utilizado na quase totalidade dos componentes eletrônicos. Uma consideração importante é a 
sua presença abundante na natureza e o fato de poderem ser fabricados com elevado grau de 
pureza (na ordem de uma parte para 10 bilhões). Isso é importante quando se detecta que a 
adição de uma parte de impureza (de material adequado) para 1 milhão pode fazer com que uma 
porção de Silício passe a apresentar bons níveis de condutividade. 
*A capacidade de se alterar as propriedades de um material semicondutor através do 
processo de adição de impurezas é conhecido como “dopagem”. 
*Outra característica importante do Silício e do Germânio é a regularidade dos cristais 
formados por esses elementos como resultado de suas estruturas atômicas. Outro aspecto 
importante é que essa estrutura cristalina é pouco afetada pela adição de elementos de 
impureza. 
 
 
 
 
 
 
Figura 2. Estrutura cristalina simples do Si e do Ge. 
 
*Já na Figura 3 apresenta-se a distribuição eletrônica dos átomos de Silício e Germânio. 
*Os átomos de Silício (e também de Germânio) ligam-se uns aos outros através do 
compartilhamento dos 4 elétrons presentes na camada de valência. Esse tipo de ligação 
química é conhecida como ligação covalente. A Figura 4 mostra a ligações covalentes entre 
átomos de Silício. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 3. Estrutura atômica do Si e do Ge. Figura 4. Ligação covalente do átomo de Si. 
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*Apesar de a ligação covalente resultar em uma ligação mais forte entre os elétrons de 
valência e os respectivos átomos, esses elétrons ainda podem absorver energia cinética 
suficiente para romper algumas ligações e assumirem o estado “livre”. Isso pode acontecer por 
um aumento de temperatura, por exemplo. 
*À temperatura ambiente, existem 1,5x1010 elétrons livres em 1cm3 de material de Silício 
intrínseco, isto é, cujas impurezas foram reduzidas a um nível muito baixo. 
*Um aumento na temperatura de um semicondutor provoca um aumento substancial no número 
de elétrons livres. 
 
1.3 – Níveis de Energia. 
 
*Na estrutura atômica isolada existem níveis de energia discretos associado a cada elétron em 
órbita, como mostra a Figura 5. Quanto maior a distância entre o elétron e o núcleo, maior 
será sua energia. 
*A Figura 6 mostra as bandas de condução e valência de um isolante, um semicondutor e um 
condutor. 
 
 
 
 
 
 
Figura 5. Níveis discretos de energia das estruturas atômicas isoladas. 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 6. Comparação dos níveis de energia de um isolante, semicondutor e condutor. 
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1.4 – Materiais Extrínsecos – Tipo N e P. 
*Um material semicondutor que passou pelo processo de dopagem é chamado de material 
extrínseco. 
*A adição de átomos de impureza em um material semicondutor provoca uma alteração 
substancial de suas características. Embora adicionadas na ordem de uma parte de impureza 
em 10 milhões, podem alterar significativamente as propriedades elétricas do material. 
Material Tipo N 
*O material do tipo N é formado pela adição de um átomo de impureza que seja pentavalente 
como o Antimônio, o Arsênico e o Fósforo. 
*Desta forma, cada átomo pentavalente contribui com 4 elétrons para formar ligações 
covalentes com os átomos de Silício e com 1 elétron adicional que está desassociado das 
ligações covalentes e que fica mais fracamente ligado ao seu núcleo, podendo, portando ser 
disponibilizado para condução. Por esse motivo, tais impurezas são chamadas de “doadoras”. O 
processo de dopagem afeta a condutividade relativa de um semicondutor através da adição de 
um nível de energia doador entre as bandas de condução e de valência com mostra a Figura 8. 
 Figura 8. Efeito da impureza doadora na banda de energia. 
 
Figura 7. Impureza doadora no material tipo N. 
Material Tipo P 
*O material do tipo P é formado pela adição de um átomo de impureza que seja trivalente 
como o Boro, o Gálio e o Índio. 
*Com a impureza trivalente, faltará um elétron para completar as ligações covalentes com os 
átomos de Silício. Com isso, se formará uma lacuna ou buraco, mostrado na Figura 9, que se 
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comportará como uma carga positiva, uma vez que essa lacuna aceitará rapidamente um elétron 
livre. Por isso, essas impurezas são chamadas de impurezas “aceitadoras”. 
*A Figura 10 mostra o fluxo de elétrons versus lacunas. 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 9. Impureza aceitadora no material tipo P. Figura 10. Fluxo de elétrons x lacunas. 
*No material Tipo N os elétrons fornecidos pelas impurezas doadoras são chamados de 
portadores majoritários e as lacunas de portadores minoritários. 
*No material Tipo P as lacunas oriundas da adição de impurezas aceitadoras são chamados de 
portadores majoritários e os elétrons de portadores minoritários. 
*A Figura 11 mostra a relação entre os portadores majoritários e minoritários nos materiais 
do Tipo N e do Tipo P. 
 
 
 
 
 
Figura 11. Portadores de carga no material tipo N e P. 
1.4 – A Junção PN e o Diodo de Junção. 
*A junção PN é formada pela justaposição de um material extrínseco do Tipo P com um 
material extrínseco do Tipo N. 
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*No momento em que os materiais são unidos, os elétrons e lacunas se recombinam resultando 
na ausência de portadores majoritários na região de junção. Essa região é chamada de “camada 
de depleção”. 
*A Figura 12 mostra a junção PN e a respectiva camada de depleção ainda sem polarização 
externa, ou seja, sem a aplicação de uma tensão externa. 
*Na camada de depleção forma-se um campo elétrico, devido à separação de cargas 
(portadores minoritários) nessa região, que dá origem a uma “barreira de potencial” da ordem 
e 0,7V (este valor é aproximado, já que depende do nível de dopagem da junção PN). A junção 
PN é o elemento básico de construção de um “Diodo de Junção”. 
 
 
 
 
 
 
 
 Figura 13. Diodo sem polarização externa. 
 Figura 12. Junão PN sem polarização externa. 
 
*A Figura 13 mostrao símbolo do Diodo representado por uma seta (material tipo P) e uma 
barra vertical representando o material do tipo N. A região do tipo P recebe o nome de Catodo 
e a região do tipo N recebe o nome de Anodo. 
*A Figura 14 mostra a junção PN reversamente polarizada (positivo da fonte VD ligada ao 
material N e negativo da fonte ligada ao material P). Nessa condição, o pólo positivo da fonte 
atrairá os portadores majoritários (elétrons) do material N enquanto que o terminal negativo 
da mesma fonte atrairá os portadores majoritários (lacunas) do lado P. Como resultado, 
ocorrerá um alargamento da camada de depleção e um conseqüente aumento da barreira de 
potencial, isto é, aumentará a oposição a passagem de corrente (de portadores majoritários) 
pela junção PN que será reduzida à zero. A Figura 15 representa o diodo reversamente 
polarizado. 
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 Figura 15. Diodo com polarização reversa. 
 Figura 14. Junão PN com polarização reversa. 
*Contudo, aparecerá no diodo polarizado reversamente, uma corrente devida à penetração de 
portadores minoritários na camada de depleção. Essa corrente que surge sobre condições de 
polarização reversa é chamada de “corrente de saturação reversa”, representada por Is e que 
raramente é maior que alguns micro-amperes, exceto para diodos de potência. O termo 
saturação vem do fato dessa corrente alcançar seu valor máximo rapidamente e de pouco se 
alterar com o aumento da tensão reversa. 
*A Figura 16 mostra a junção PN submetida à polarização direta (positivo da fonte VD ligada 
ao material P e negativo da fonte ligada ao material N). Nesse caso, o pólo negativo da fonte 
empurrará os portadores majoritários do material n (elétrons) em direção à camada de 
depleção. Se a tensão da fonte for maior que a tensão da barreira de potencial (~0,7V) esses 
elétrons atravessarão a camada de depleção onde se recombinarão com os portadores 
majoritários (lacunas) do lado P e continuarão a serem atraídos pelo terminal positivo da 
fonte VD. Dessa forma será estabelecido um fluxo constante de elétrons na junção PN e na 
fonte VD. 
 
 
 
 
 
 Figura 17. Diodo com polarização direta. 
 Figura 16. Junão PN com polarização direta. 
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*A corrente estabelecida na junção PN é o resultado do balanço entre a corrente devida aos 
portadores majoritários: Imajoritário e a corrente de saturação reversa: Is e é indicada em seu 
sentido convencional, na Figura 16, por ID. 
*Com o emprego da Física de estado sólido, pode-se mostrar que o comportamento do diodo na 
polarização direta e reversa pode ser aproximado pela equação 1.2. 
 
 (1.2) 
*Nessa equação Is = corrente de saturação reversa; k = 11.600/η com η = 1 para o Ge e η = 2 
para o Si (em níveis relativamente baixos de corrente no diodo) e η = 1 para o Ge e para o Si 
para níveis maiores de corrente no diodo: TK = Tc + 273º. 
*A Figura 18 mostra a curva característica (IxV) do diodo de junção. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 18. Curva característica do diodo semicondutor de silício. 
*A Figura 19 mostra uma visão geral da curva característica do diodo semicondutor. Nessa 
Figura destaca-se na região reversa uma tensão a partir da qual ocorre um aumento abrupto 
de corrente na direção oposta da região de tensão positiva. Essa tensão é chamada de tensão 
Zener (VZ) ou tensão de Break-Down (VBR). 
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Figura 19. Região Zener. 
*À medida que a tensão reversa aumentar no diodo, a corrente de saturação reversa também 
aumentará até um ponto em que seus portadores terão energia suficiente para 
desestabilizarem estruturas atômicas estáveis, arrancando elétrons de valência desses 
átomos. Esses elétrons absorverão energia cinética e colidirão com outros elétrons de valência 
arrancando-os de seus respectivos núcleos, iniciando, assim, uma reação em cadeia chamada de 
“corrente de ruptura em avalanche”. 
 
Referências: 
[1] BOYLESTAD, Robert L. e NASHELSKY, Louis. Dispositivos Eletrônicos. 8ª Edição. Editora 
Pearson.