Seminário Ciências dos Materiais semicondutores

Prévia do material em texto

FACULDADE DE EDUCAÇÃO E MEIO AMBIENTE
DANIELA DOS SANTOS REGUELIN
DIEGO FERREIRA TELES
ISAMATER DA SILVA ANDRADE
UDSON TIAGO SOUSA SILVA
MATERIAIS SEMICONDUTORES
RESPECTIVOS ASPECTOS DOS DIODOS
ARIQUEMES - RO
2017
DANIELA DOS SANTOS REGUELIN
DIEGO FERREIRA TELES
ISAMATER DA SILVA ANDRADE
UDSON TIAGO SOUSA SILVA
MATERIAIS SEMICONDUTORES
RESPECTIVOS ASPECTOS DOS DIODOS
Trabalho apresentado ao curso de Engenharia Civil da Faculdade de Educação e Meio Ambiente – FAEMA, como requisito parcial à obtenção de créditos na disciplina de Ciência e Tecnologia dos Materiais.
Professor Orientador: Felipe Cordeiro de Lima.
Ariquemes - RO
2017
SUMÁRIO
	 INTRODUÇÃO	04
2 MATERIAIS INTRÍSECO E EXTRÍNSECO	04
3 SEMICONDUTORES TIPO N E P	05
4 PROCESSO DE GERAÇÃO E RECOMBINAÇÃO	05
5 DIODOS	06
5.1 DIODO IDEAL	08
5.2 DIODO SEMI-IDEAL	09 
 CONSIDERAÇÕES FINAIS	09
 REFERÊNCIAS	10
INTRODUÇÃO
Um dos triunfos das teorias cinética e atômica é sua capacidade de dar conta de quase todas as propriedades físicas da matéria, explicando, por exemplo, por que alguns materiais são bons condutores de calor, enquanto outros não o são. Existe uma classe intermediária de substâncias, chamadas semicondutoras que possuem um nível de condutividade entre os extremos de um isolante e um condutor. 
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.
Desta forma, são melhores condutores do que os isolantes de eletricidade, mas não tão bons condutores como o cobre. Tais materiais se mostram extremamente úteis para a eletrônica. Em comparação com os metais e com os isolantes, as propriedades elétricas dos semicondutores são afetadas por variação de temperatura, exposição à luz e acréscimos de impurezas. Um semicondutor puro como o elemento silício apresenta uma condutividade elétrica bastante limitada; porém se pequenas quantidades de impurezas são incorporadas à sua estrutura cristalina, suas propriedades elétricas alteram-se significativamente. O material pode passar, por exemplo, a conduzir eletricidade em um único sentido, da forma como age um diodo. A adição de uma outra impureza lhe confere a propriedade de conduzir eletricidade apenas no outro sentido. Os materiais semicondutores mais utilizados são o silício e o germânio.
2 MATERIAIS INTRÍSECO E EXTRÍNSECO.
Semicondutor intrínseco é aquele encontrado na natureza na sua forma mais pura, ou seja a concentração de portadores de carga positiva é igual à concentração de portadores de carga negativa.
Semicondutores extrínsecos ou dopados são semicondutores intrínsecos onde introduzimos uma impureza para controlarmos as características elétricas do semicondutor.
3 SEMICONDUTORES TIPO N E P
Existem duas subdivisões ao se tratar de semicondutor: o semicondutor tipo N e o tipo P. MALVINO (1986) descreve o semicondutor tipo P como sendo dopado de uma impureza trivalente, onde P significa positivo, e semicondutor tipo N é como o silício dopado, onde n significa negativo. Paralelo a isso WENDLING (2011) explica que o tipo N:
“Insere-se na estrutura cristalina, átomos contendo excesso de um elétron de valência em relação aos átomos da rede, inserindo vários átomos de impurezas: os elétrons livres passam a transitar livremente pelo material, tornando um material isolante (rede cristalina) em material com certo nível de condutividade.”( WEDLING, 2011, p. 5).
Ao mesmo tempo, para WENDLING (2011) as estruturas cristalinas do tipo P:
“A existência de lacunas permite que haja um mecanismo de condução distinto do tipo N. Quando a dopagem produz lacunas no semicondutor, um elétron proveniente de uma ligação covalente só poderá transitar para um ponto do cristal onde haja uma lacuna disponível. O movimento de elétrons de valência ocorre do polo negativo para o polo positivo. As lacunas em um semicondutor dopado se comportam como cargas positivas que podem transitar em um cristal submetido a uma tensão externa aplicada.” ( WEDLING, 2011, p. 6).
4 PROCESSO DE GERAÇÃO E RECOMBINAÇÃO.
Na formação da junção PN ocorre o processo de recombinação, no qual os elétrons do lado N, mais próximos da junção, migram para o lado P. Este processo ocorre até que haja o equilíbrio eletrônico e a estabilidade química, ou seja, 4 ligações covalentes em cada átomo. Durante o processo de recombinação forma-se, próximo à junção, a camada de depleção. Ao final deste processo, a camada de depleção fica ionizada formando a barreira de potencial (V) ou zona vazia. Isto ocorre quando nenhuma diferença de potencial é aplicada ao diodo, ou seja, os elétrons do material tipo-N preenchem os buracos do material tipo-P ao longo da junção entre as camadas.
Já o possesso de geração de portadores em excesso acontece devido influências dos meios externos as quais devem provocar um aumento do número de portadores livres (elétrons e buracos) em relação aos existentes normalmente no semicondutor. Como exemplo, um semicondutor ao ser iluminado por uma luz com determinado comprimento de onda, faz com que elétrons da banda de valência são transferidos para a banda de condução pela absorção de um quantum de luz, deixando buracos na banda de valência, gerando elétrons excedentes na banda de condução e buracos excedentes na camada de valência. Neste momento a condutividade elétrica do semicondutor aumenta por instantes, pois o tempo de vida dos buracos e elétrons excedentes é limitado. O excesso de portadores desencadeia processos no semicondutor que apenas terminam quando alcançado o equilíbrio termodinâmico do numero de elétrons e buracos.
5 DIODOS.
Diodos são componentes eletrônicos que permitem a passagem da corrente elétrica somente em um sentido, bloqueando a passagem no sentido oposto, e são construídos a partir de materiais semicondutores, como silício ou o germânio, onde estes são fundidos para criar uma junção de PN. Diodos possuem diversas funções, podendo servir como retificadores, convertendo tensão alternada em contínua, como reguladores de tensão, no tipo Zener, e até mesmo como produtores de luz, chamados de leds. 
Apesar da função simples do diodo, na realidade a passagem plena de corrente elétrica somente em um sentido não ocorre perfeitamente como se espera, pois quando a corrente flui através de um diodo certa potencia sempre é dissipada em forma de calor por causa da barreira de potencial. Essa perda de potência pode ser percebida, pois também ocorre uma queda de tensão de aproximadamente 0,7 Volts. Essa queda ocorre proporcionalmente com a corrente, de modo que quanto maior a corrente mais o diodo esquenta perdendo, assim, potência. Por esta queda de tensão ser um problema em muitos casos, foram fabricados diversos tipos de diodos buscando ter uma queda de tensão bem menor.
Outro ponto importante dos diodos é sua velocidade de chaveamento, que é a velocidade que o diodo demora para fechar e abrir a passagem por onde a corrente flui, devido a essa velocidade são criados diodos com velocidade de chaveamento comum para serem usados somente em sistemas de baixa frequência, como os usados em pontes retificadoras na rede elétrica, e diodos com velocidade de chaveamento rápido, destinados para frequências muito maiores. 
A condução de corrente elétrica no diodo dependerá da forma como ele está polarizado, podendo ser de duas formas:
Polarização direta: Nesse tipo de polarização o polo positivo da fonte de tensão está conectado ao lado P do diodo. Isso faz com que o lado positivo torne-se ainda mais positivo, e o lado N, ainda mais negativo. As cargas elétricas conseguem atravessar a barreira de potencial existente entre o lado P e o lado N do diodo, pois esta diminui porcausa da polarização direta, portanto, há condução de corrente;
Polarização inversa: O terminal positivo da fonte de tensão é conectado ao lado N da junção PN do diodo. Isso faz com que a barreira de potencial aumente. Nesse caso, a resistência do circuito é muito alta, e a corrente elétrica não consegue atravessá-la.
Os diodos possuem um limite de tensão máxima que pode receber de modo que impeça a passagem de corrente em sua polarização inversa/reversa, se esse limite for ultrapassado em um diodo convencional pode ocorrer a destruição do aparelho ou sistema ao qual esteja ligado. 
Há uma quantidade significativa de tipos de diodos, mas os principais são: 
Retificadores: São os diodos mais comuns, fabricados com o objetivo primordial de permitirem a passagem da corrente elétrica em um só sentido (polarização direta), cumprindo um papel indispensável na transformação de corrente alternada em corrente contínua. Possuem vários tamanhos e formatos, de acordo com a sua potência nominal.
Zener: São diodos fabricados para conduzir a corrente elétrica em sentido inverso (polarização inversa). Este efeito é chamado de "ruptura zener" e ocorre em um valor de tensão bastante preciso, permitindo que esse diodo seja utilizado com uma referência de tensão. São bastante empregados em circuitos reguladores de tensão em fontes de alimentação.
Varicaps: Todo diodo possui uma capacitância interna formada por suas duas regiões condutoras (tipo-p e tipo-n), as quais são separadas por uma região livre de cargas (região de depleção). A extensão dessa região de depleção depende da polarização do diodo: ela diminui quando o mesmo é polarizado diretamente e vice-versa. Com a variação das dimensões da região de depleção, varia-se a capacitância interna do diodo. Os varicaps são fabricados para aproveitarem essa característica, funcionando como capacitores variáveis, cuja capacitância é controlada pela tensão aplicada sobre o diodo. Tais componentes são bastante empregados em circuitos de sintonia de aparelhos televisores e de rádios, além de equipamentos transmissores.
Túnel: São dispositivos capazes de operar em altas frequências (micro-ondas), por meio de fenômenos de mecânica quântica (efeito de tunelamento). São fabricados utilizando junções PN estreitas e altamente dopadas. Podem ser utilizados em circuitos osciladores, amplificadores e conversores de frequência.
LEDs: São diodos semicondutores que, quando energizados, emitem luz. A luz não é monocromática (como em um laser), mas consiste de uma banda espectral relativamente estreita, sendo produzida pelas interações energéticas dos elétrons. O processo de emissão de luz pela aplicação de uma fonte de energia elétrica é chamado eletroluminescência. No silício e no germânio, que são os elementos básicos dos diodos e transistores, a maior parte da energia é liberada na forma de calor, sendo insignificante a luz emitida. Já em outros materiais, como o arseneto de gálio (GaAs) ou o fosfeto de gálio (GaP), o número de fótons de luz emitidos é suficiente para constituir fontes de luz bastante eficientes.
5.1 DIODO IDEAL.
No modelo de diodo ideal, imagina-se as melhores possibilidades de funcionamento de um diodo, onde ele comporta-se como um condutor perfeito (de resistência nula) quando está polarizado diretamente e como um isolante perfeito (de resistência infinita) se tiver polarizado inversamente. Neste modelo não se leva em consideração a temperatura, a resistência interna do material e nem a barreira potencial, e por tal, este tipo de diodo é impossível de ser construído e fica apenas como uma representação de como se desejaria que funcionasse um diodo, pois todos esses agentes interferem no comportamento do diodo. Há apenas um dispositivo que se comporta semelhante ao que viria a ser um diodo ideal, o chamado comutador.
5.2 DIODO SEMI-IDEAL.
Assim como todos os diodos, o diodo semi-ideal também possui a junção P N que entre eles existe uma barreira de silício capaz de dopar a corrente elétrica para a condução; o P N formam uma zona chamada de depleção, na qual essa zona implica na diferença de potencial, sendo polarização direta ou polarização reversa, na polarização direta o circuito equivalente do diodo para condução é obtido na junção de um resistor, apresentando resistência direta na condução, com uma fonte de tensão correspondente ao valor da barreira de potencial, já na polarização reversa existe uma corrente de fuga, fazendo com que o diodo é inversamente polarizado, correspondendo à passagem minoritária fazendo com que não ocorra a condução de corrente, ou seja, podendo fluir corrente elétrica quando direta e impedindo a corrente elétrica quando for reversa, a tensão só conduz se a energia no anodo (positivo) for maior que no catodo (negativo), sendo assim a energia necessário para o anodo conduzir corrente deverá ser maior que 0,7 volts.
Os diodos semi-ideais são geralmente utilizados em fontes de alimentação e placas eletrônicas como te computadores, televisores etc, nas placas, os diodos tem a função de liberar corrente nos circuitos para os demais componentes e nas fontes possuem função retificadora que significa alinhar, ou seja, tornar a energia alternada em continua, apresentando uma corrente maior em um tipo de polarização.
CONSIDERAÇÕES FINAIS.
Os materiais semicondutores segundo Wendling (2011) são os materiais com condução elétrica intermediária entre as inerentes aos isolantes ou condutores, ou seja, são capazes de se modificar de isolantes para condutores. Os semicondutores mais simples são constituídos de átomos tetravalentes, sendo mais comuns os materiais: germânio (Ge) e silício (Si). Para Alves (2017) os materiais semicondutores não são apenas materiais, mas consistem em um grande aliado na transformação da sociedade e da maneira de se viver atualmente, uma vez que é a base da eletrônica.
REFERÊNCIAS.
ALVES A. G. Materiais semicondutores: uma abordagem para o ensino médio. Universidade Federal de Lavras. LAVRAS – MG. 2017. Disponível em: <http://repositorio.ufla.br/bitstream/1/12749/1/DISSERTA%C3%87%C3%83O_Materiais%20semicondutores%20%20uma%20abordagem%20para%20o%20ensino%20m%C3%A9dio.pdf> Acesso em: 11 set. 2017.
CHIAVENATO, I. Recursos humanos. 7 ed. São Paulo: Atlas, 2002. ELETRÔNICA DIDÁTICA. Diodo. Disponível em: <http://www.eletronicadidatica.com.br/componentes/diodo/diodo.htm>. Acesso em: 09 set. 2017.
ENDERLEIN, Rolf. Microeletrônica: uma introdução, ao universo dos microchips, seu funcionamento, fabricação e aplicações. EdUSP, 1994.
INSTITUTO DE EMPREGO E FORMAÇÃO PROFISSIONAL - IEFP. Diodo ideal. Disponível em: <https://elearning.iefp.pt/pluginfile.php/49293/mod_resource/content/0/electricidade_-_electronica/electronica/diodos/diodo%20ideal.pdf>. Acesso em: 09 set. 2017.
LSI/USP. Materiais semicondutores. Disponível em: www.lsi.usp.br/~eletroni/milton/matpn.htm. Acesso em: 08 set. 2017.
MALVINO, P. Eletrônica, volume 1, McGraw-Hill, São Paulo, 1986. Disponível em:<https://app.cear.ufpb.br/~asergio/Eletronica/Componentes/Semicondutores.pdf>. Acesso em: 11 set. 2017.
MUNDO EDUCAÇÃO. Diodo semicondutor. Disponível em: <http://mundoeducacao.bol.uol.com.br/fisica/diodo-semicondutor.htm>. Acesso em: 09 set. 2017.
UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLÂNDIA. Ciência e Tecnologia dos Materiais. Disponível em: <https://www.passeidireto.com/arquivo/2552107/apostila___ctm___parte_2/2>. Acesso em: 10 set. 2017.
UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ - UTFPR. Diodos. Disponível em: <http://www.cp.utfpr.edu.br/chiesse/eletronica/diodos.pdf>. Acesso em: 09 set. 2017.
WENDLING, M. Diodo semicondutor. Disponível em: http://www.feg.unesp.br/Home/PaginasPessoais/ProfMarceloWendling/2---diodo-semicondutor.pdf . Acesso em: 11 set. 2017.