M2 - E2

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36 Eletrônica
2-5 Dois tipos de fluxos
A Figura 2-7 mostra um semicondutor intrínseco. Ele tem o mesmo número de 
elétrons livres e lacunas. Por isso, a energia térmica produz elétrons livres e lacu-
nas aos pares. A tensão aplicada forçará os elétrons livres a circular para o lado 
esquerdo e as lacunas, para o lado direito. Quando os elétrons livres alcançam o 
lado final esquerdo do cristal, eles passam para o fio externo e circulam para o 
terminal positivo da bateria. 
Por outro lado, os elétrons livres do terminal negativo da bateria circulam 
para o final direito do cristal. Nesse ponto, eles entram no cristal e recombinam-se 
com as lacunas até alcançarem o final direito do cristal. Desse modo, um fluxo 
estável de elétrons livres e lacunas ocorre dentro do semicondutor. Observe que 
não existe fluxo de lacunas fora do semicondutor. 
Na Figura 2-7, os elétrons livres e as lacunas movem-se em direções opos-
tas. De agora em diante, visualizaremos a corrente em um semicondutor com um 
efeito combinado de dois tipos de fluxo: o fluxo de elétrons livres em uma direção 
e o fluxo de lacunas em outra. Elétrons livres e lacunas são sempre chamados de 
portadores de carga, porque transportam uma carga de um lugar para o outro. 
2-6 Dopagem de um semicondutor 
Uma forma de aumentar a condutividade de um semicondutor é pelo processo de 
dopagem. Isso significa uma adição de átomos de impureza ao cristal intrínseco a 
fim de alterar sua condutividade elétrica. Um semicondutor dopado é chamado de 
semicondutor extrínseco.
Aumentando os elétrons livres 
Como um fabricante dopa um cristal de silício? O primeiro passo é fundir um cris-
tal de silício puro. Assim quebram-se as ligações covalentes e o silício muda do 
estado sólido para o líquido. Para aumentarmos o número de elétrons, adiciona-
mos átomos pentavalentes ao silício fundido. Átomos pentavalentes possuem cin-
co elétrons na órbita de valência. Exemplos de átomos pentavalentes são arsênico, 
antimônio e fósforo. Esses materiais doarão um elétron adicional para o cristal de 
silício. Eles são conhecidos como doadores de impureza. 
A Figura 2-8a mostra como o cristal de silício dopado fica após seu resfria-
mento e volta para sua estrutura sólida de cristal. Um átomo pentavalente fica no 
centro, rodeado por quatro átomos de silício. Como antes, os átomos vizinhos 
compartilham um elétron com o átomo central, mas desta vez, existe um elétron 
adicional na parte esquerda superior. Lembre-se de que cada átomo pentavalente 
tem cinco elétrons de valência. Como somente oito elétrons podem ficar fixos na 
órbita de valência, o elétron adicional permanece em uma órbita mais externa. Em 
outras palavras, ele é um elétron livre. 
Cada átomo pentavalente ou átomo doador em um cristal de silício produz 
um elétron livre. É assim que um fabricante controla a condutividade de um semi-
condutor dopado. Quanto mais impureza é adicionada, maior é a condutividade. 
Desse modo, um semicondutor pode ser levemente ou fortemente dopado. Um 
semicondutor levemente dopado tem uma alta resistência, enquanto um semicon-
dutor fortemente dopado tem uma resistência de baixo valor.
Aumentando o número de lacunas
Como podemos dopar um cristal de silício puro para obter um excesso de lacunas? 
Usando uma impureza trivalente, aquela cujo átomo tem apenas três elétrons de 
valência. Exemplos deste tipo de átomos são alumínio, boro e gálio.
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Figura 2-7 O semicondutor 
intrínseco tem o número de elétrons 
livres igual ao número de lacunas.
(a)
ELÉTRON LIVRE
(b)
Figura 2-8 (a) Dopagem para obter 
mais elétrons livres; (b) dopagem para 
obter mais lacunas.
Capítulo 2 • Semicondutores 37
A Figura 2-8b mostra um átomo trivalente no centro. Ele é rodeado por quatro 
átomos de silício, cada um compartilhando um de seus elétrons de valência. Como 
o átomo trivalente tem originalmente apenas três elétrons de valência e cada áto-
mo vizinho compartilha com um elétron, apenas sete elétrons ficam na órbita de 
valência. Isso significa que existe uma lacuna na órbita de valência de cada átomo 
trivalente. Um átomo trivalente é chamado de átomo aceitador, porque cada lacu-
na que existe pode receber um elétron livre durante a recombinação. 
Pontos a serem lembrados
Antes do processo de dopagem de um semicondutor, o fabricante deve produzir 
um cristal de silício puro. Depois, controlando a quantidade de impureza, ele pode 
controlar precisamente as propriedades do semicondutor. Historicamente, os cris-
tais de germânio puro eram mais fáceis de serem produzidos do que cristais de 
silício puro. É por isso que os primeiros dispositivos semicondutores eram feitos 
de germânio. Eventualmente, as técnicas de fabricação evoluíram e os cristais de 
silício puro tornaram-se mais disponíveis comercialmente. Por causa de suas van-
tagens, o silício tornou-se o mais popular e mais utilizado material semicondutor.
Exemplo 2-4
Um semicondutor dopado tem 10 bilhões de átomos de silício e 15 milhões 
de átomos pentavalentes. Se a temperatura ambiente for de 25ºC, quantos 
elétrons livres e lacunas existem neste semicondutor?
SOLUÇÃO Cada átomo pentavalente contribui com um elétron livre. Por-
tanto o semicondutor tem 15 milhões de elétrons produzidos por dopagem. 
Quase não haverá lacunas em comparação, pois as únicas lacunas no semi-
condutor são aquelas geradas pela energia térmica. 
PROBLEMA PRÁTICO 2-4 Como no Exemplo 2-4, se 5 milhões de áto-
mos trivalentes forem adicionados no lugar dos átomos pentavalentes, quan-
tas lacunas existem no semicondutor?
2-7 Dois tipos de semicondutores 
extrínsecos
Um semicondutor pode ser dopado para ter um excesso de elétrons livres ou exces-
so de lacunas. Por isso, existem dois tipos de semicondutores dopados.
Semicondutores tipo n
O silício que foi dopado com impureza pentavalente é chamado de semicondutor 
tipo n, onde n quer dizer negativo. A Figura 2-9 mostra um semicondutor tipo n. 
Como o número de elétrons livres excede o número de lacunas num semicondutor 
tipo n, os elétrons livres são chamados de portadores majoritários e as lacunas, 
de portadores minoritários.
Devido à aplicação de uma tensão, os elétrons livres movem-se para a es-
querda e as lacunas movem-se para a direita. Quando uma lacuna alcança o final 
do lado direito do cristal, um dos elétrons livres do circuito externo passa para o 
semicondutor e recombina com a lacuna.
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Figura 2-9 O semicondutor tipo n 
tem muitos elétrons livres. 
38 Eletrônica
Os elétrons livres mostrados na Figura 2-9 circulam para o lado final à es-
querda do cristal, onde eles passam para o fio condutor em direção ao terminal 
positivo da bateria.
Semicondutores tipo p
O silício que foi dopado com impureza trivalente é chamado de semicondutor 
tipo p, onde p significa positivo. A Figura 2-10 mostra um semicondutor tipo p. 
Como o número de lacunas excede o número de elétrons livres num semicondutor 
tipo p, as lacunas são chamadas de portadores majoritários e os elétrons livres, de 
portadores minoritários.
Com a aplicação de uma tensão, os elétrons livres movem-se para a esquerda 
e as lacunas movem-se para a direita. Na Figura 2-10, as lacunas que chegam ao 
final direito do cristal recombinam com os elétrons livres do circuito externo.
Existe também um fluxo de portadores minoritários na Figura 2-10. Os elé-
trons livres dentro do semicondutor circulam da direita para a esquerda. Como 
existem poucos portadores minoritários, eles quase não afetam o circuito.
2-8 Diodo não polarizado
Por si só, um semicondutor tipo n é usado como um resistor de carbono; o mesmo 
pode ser dito para um semicondutor tipo p. Mas quando um fabricante dopa um 
cristal de modo que metade dele é do tipo p e a outra metade do tipo n, algo novo 
começa a acontecer.
A borda entre o tipo p e o tipo n é chamada de junção pn. A junção pn é a 
base para todo tipo de invenções, inclusivedos diodos, transistores e circuitos 
integrados. Entendendo a junção pn, você será capaz de entender todos os outros 
dispositivos semicondutores.
Diodo não polarizado
Conforme foi estudamos nas seções anteriores, cada átomo trivalente em um cris-
tal de silício produz uma lacuna. Por essa razão, podemos visualizar um semi-
condutor tipo p como mostra o lado esquerdo na Figura 2-11. Cada sinal negativo 
dentro do círculo é um átomo trivalente, e cada sinal positivo, uma lacuna na sua 
órbita de valência.
De modo similar, podemos visualizar os átomos pentavalentes e os elétrons 
livres de um semicondutor tipo n conforme mostra o lado direito na Figura 2-11. 
Cada círculo com um sinal positivo representa um átomo pentavalente, e cada si-
nal de menos é o elétron livre que ele contribui para o semicondutor. Observe que 
cada pedaço de material semicondutor é eletricamente neutro, pois o número de 
sinais positivos é igual ao número de sinais negativos.
Um fabricante pode produzir cristal simples com um material tipo p de um 
lado, e outro tipo n do outro lado, conforme mostra a Figura 2-12. A junção é a 
borda onde as regiões do tipo p e do tipo n se encontram, e o diodo de junção é 
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Figura 2-10 O semicondutor tipo p 
tem muitas lacunas.
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p n
Figura 2-11 Dois tipos de semicondutores.
Capítulo 2 • Semicondutores 39
outro nome dado para um cristal pn. A palavra diodo é uma contração de dois 
eletrodos, onde di significa “dois”.
Camada de depleção 
Em virtude da repulsão, os elétrons livres do lado n na Figura 2-12 tendem a se di-
fundir (espalhar) em todas as direções. Alguns elétrons livres se difundem através 
da junção. Quando um elétron livre entra na região p, ele passa a ser um portador 
minoritário. Com tantas lacunas em seu redor, esse portador minoritário tem um 
tempo de vida muito curto. Logo que entra na região p, o elétron livre recombina 
com uma lacuna. Quando isso acontece, a lacuna desaparece e o elétron livre 
passa a ser um elétron de valência. 
Cada vez que um elétron difunde-se na junção, ele cria um par de íons. Quando 
um elétron deixa o lado n, ele deixa para trás um átomo pentavalente que perde uma 
carga negativa; ele se torna um íon positivo. Após a migração, o elétron “cai” numa 
lacuna do lado p; isso faz que um íon negativo fora do átomo trivalente o capture.
A Figura 2-13a mostra esses íons em cada um dos lados da junção. Os círculos 
com sinais positivos são os íons positivos e os círculos com sinais negativos são os 
íons negativos. Os íons ficam fixos na estrutura do cristal em virtude da ligação 
covalente, e não podem se mover entre os átomos como elétrons livres e lacunas.
Cada par de íons positivos e negativos na junção é chamado de dipolo. A cria-
ção de um dipolo significa que um elétron livre e uma lacuna ficam fora de cir-
culação. À medida que o número de dipolos aumenta, a região próxima da junção 
torna-se vazia de portadores de carga. Chamamos a região vazia de portadores de 
carga de camada de depleção (veja a Figura 2-13b).
Barreira de potencial
Cada dipolo tem um campo elétrico entre os íons positivo e negativo. Portanto, se 
um elétron livre adicional entrar na camada de depleção, o campo elétrico tenta 
empurrar este elétron de volta para a região n. A intensidade do campo elétrico 
aumenta cada vez que um elétron cruza a junção até atingir o equilíbrio. Para uma 
primeira aproximação, significa que o campo elétrico eventualmente interrompe a 
difusão de elétrons através da junção. 
Figura 2-12 A junção pn.
ÍONS
(a)
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CAMADA DE DEPLEÇÃO
(b)
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Figura 2-13 (a) Criação de íons na 
junção; (b) camada de depleção.
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40 Eletrônica
Na Figura 2-13a, o campo elétrico entre os íons é equivalente a uma diferença 
de potencial chamada de barreira de potencial. Na temperatura de 25ºC, a bar-
reira de potencial é de 0,3 V aproximadamente para os diodos de germânio, e de 
0,7 V para os diodos de silício.
2-9 Polarização direta
A Figura 2-14 mostra uma fonte CC aplicada a um diodo. O terminal negativo da 
fonte está conectado a um material tipo n e o terminal positivo está conectado a 
um material tipo p. Essa conexão produz o que chamamos de polarização direta. 
Fluxo de elétrons livres
Na Figura 2-14 a bateria empurra as lacunas e os elétrons livres em direção à jun-
ção. Se a tensão da bateria for menor que a barreira de potencial, os elétrons livres 
não possuem energia suficiente para penetrar na camada de depleção. Quando eles 
penetram na camada de depleção, os íons empurram os elétrons livres de volta 
para a região n, por isso não há corrente pelo diodo. 
Quando a tensão CC da fonte for maior que a barreira de potencial, a bateria 
empurra novamente as lacunas e os elétrons livres em direção à junção. Dessa 
vez, os elétrons livres têm energia suficiente para passar pela camada de depleção 
e recombinar com as lacunas. Se você visualizar todas as lacunas na região p 
movendo-se para a direita e todos os elétrons livres movendo-se para a esquerda, 
você terá a ideia básica. Em algum lugar na vizinhança da junção, essas cargas se 
recombinam. Como os elétrons livres entram continuamente no final esquerdo do 
diodo e as lacunas são geradas continuamente no lado esquerdo, existe uma cor-
rente contínua através do diodo.
Fluxo de um elétron
Vamos seguir um elétron através do circuito completo. Após o elétron livre deixar 
o terminal negativo da bateria, ele entra pelo lado final direito do diodo. Ele viaja 
através da região n até alcançar a junção. Quando a tensão da bateria for maior do 
que 0,7 V o elétron livre possui energia suficiente para penetrar a camada de deple-
ção. Assim que o elétron livre entra na região p ele recombina-se com uma lacuna.
Em outras palavras, o elétron livre torna-se um elétron de valência. Como 
um elétron de valência, ele continua a viagem para o lado esquerdo, passando de 
uma lacuna para a próxima até alcançar o lado final esquerdo do diodo. Quando 
ele deixa o lado final esquerdo do diodo, uma nova lacuna aparece e o processo é 
reiniciado. Como existem bilhões de elétrons fazendo a mesma jornada, obtemos 
uma corrente contínua através do diodo. Um resistor em série é usado para limitar 
o valor da corrente direta. 
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 Figura 2-14 Polarização direta.
Capítulo 2 • Semicondutores 41
O que lembrar
A corrente circula com facilidade em um diodo polarizado diretamente. Assim 
que a tensão aplicada for maior do que a barreira de potencial, existirá uma cor-
rente alta no circuito. Em outras palavras, se a tensão da fonte for maior do que 
0,7 V, num diodo de silício haverá uma corrente contínua no sentido direto.
2-10 Polarização reversa
Invertendo a fonte de tensão CC, obteremos o circuito mostrado na Figura 2-15. 
Desta vez, o terminal negativo da bateria está conectado do lado p, e o terminal 
negativo da bateria do lado n. Essa conexão produz o que é chamado de polariza-
ção reversa.
Largura da camada de depleção 
O terminal negativo da bateria atrai as lacunas, e o terminal positivo da bateria 
atrai os elétrons livres. Por isso, lacunas e elétrons livres afastam-se da junção. 
Então, a camada de depleção fica mais larga. 
Até quanto a camada de depleção pode se alargar na Figura 2-16a? Quando 
as lacunas e os elétrons se afastam da junção, os novos íonsgerados aumentam a 
diferença de potencial através da camada de depleção. Quanto mais larga a ca-
mada de depleção, maior é a diferença de potencial. A camada de depleção pára 
de aumentar quando sua diferença de potencial iguala-se ao valor da tensão re-
versa aplicada. Quando isso ocorre, elétrons e lacunas param de se movimentar 
afastando-se da junção.
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 Figura 2-15 Polarização reversa.
(a) (b)
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Figura 2-16 (a) Camada 
de depleção; (b) aumentar a 
polarização reversa aumenta 
a largura da camada de 
depleção. 
42 Eletrônica
Algumas vezes a camada de depleção é mostrada como uma região sombreada 
conforme pode ser visto na Figura 2-16b. A largura dessa região sombreada é pro-
porcional ao valor da tensão reversa. Com o aumento da tensão reversa, a camada 
de depleção torna-se mais larga. 
Corrente de portadores minoritários
Existe alguma corrente no diodo inversamente polarizado, depois de a camada de 
depleção ter-se estabilizado? Sim. Há uma pequena corrente com a polarização 
reversa. Lembre-se de que a energia térmica gera continuamente pares de elé-
trons livres e lacunas. Isso significa que existem alguns portadores minoritários 
em ambos os lados da junção. Muitos deles se recombinam com os portadores 
majoritários, mas aqueles que estão dentro da camada de depleção podem estar em 
número suficiente para conseguir cruzar a junção. Quando isso acontece, circula 
uma pequena corrente no circuito externo. 
A Figura 2-17 ilustra essa ideia. Suponha que a energia térmica tenha gerado 
um elétron livre e uma lacuna próxima da junção. A camada de depleção empurra 
o elétron livre para a direita, forçando um outro elétron a deixar o lado final direi-
to do cristal. A lacuna na camada de depleção é empurrada para a esquerda. Esta 
lacuna adicional no lado p permite que outro elétron entre pelo lado final esquerdo 
do cristal e “caia” uma lacuna. Como a energia térmica produz continuamente 
pares de elétron-lacuna dentro da camada de depleção, uma pequena corrente con-
tínua circula no circuito externo.
A corrente reversa causada termicamente pelos portadores minoritários é cha-
mada de corrente de saturação. Nas equações, a corrente de saturação é simbo-
lizada por IS. A palavra saturação significa que não podemos ter uma corrente de 
portadores minoritários maior do que a produzida pela energia térmica. Em outras 
palavras, aumentar a tensão reversa não aumentará o número de portadores mi-
noritários gerados termicamente. 
Corrente de fuga da superfície 
Além da corrente de portadores minoritários produzida termicamente, há outra 
corrente em um diodo polarizado reversamente? Sim. Uma pequena corrente cir-
cula pela superfície do cristal. Conhecida como corrente de fuga da superfície, 
ela é causada pelas impurezas da superfície e imperfeições na estrutura do cristal. 
O que lembrar
A corrente inversa em um diodo consiste em uma corrente de portadores minori-
tários e em uma corrente de fuga da superfície. Em muitas aplicações, a corrente 
inversa num diodo de silício é tão pequena que nem mesmo é notada. A principal 
ideia a lembrar é que a corrente é aproximadamente zero em um diodo de silício 
reversamente polarizado.
Figura 2-17 Produção de elétron livre 
e lacuna pela energia térmica na camada 
de depleção dá origem a uma corrente de 
saturação de portadores reversos.
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