Baixe o app para aproveitar ainda mais
Prévia do material em texto
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).
Compartilhar