eletronica geral capitulo 01 2021-1

Prévia do material em texto

Eletrônica geral –ENG 1550
Professor:Dr. Antônio Marcos de Melo Medeiros
Capítulo 01
Teoria básica dos semicondutores
O átomo e sua constituição
Átomo: partícula elementar da matéria, que se dividida faz o elemento perder suas características.
Os átomos são constituídos por pequenas partículas, tais como:
Prótons: estão no núcleo e tem carga elétrica positiva (+).
Neutrôns: estão no núcleo e não tem carga elétrica.
Elétrons: estão sempre nas órbitas e tem carga elétrica negativa (-)
Para descrever a estrutura de um átomo utiliza-se a um modelo simplificado, conhecido como modelo atômico de Bohr. 
Distribuição dos elétrons em camadas:
	Camadas eletrônicas
	1a
	2a
	3ª
	4ª
	5ª 
	6ª
	7ª
	
	K
	L
	M
	N
	O
	P
	Q
	Número Máximo de elétrons por camada
	2
	8
	18
	32
	32
	18
	2
EX: 
	Átomo de silício (Si) número atômico 14
	Camadas
	N.o de elétrons
	K
	2
	L
	8
	M
	4
 
	Átomo de Germânio (Ge) número atômico 32
	Camadas
	N.o de elétrons
	K
	2
	L
	4
	M
	18
	N
	4
Matéria: É formada por um conjunto de átomos unidos por ligações atômicas.
Tipos de ligações atômicas :
Metálicas: São formadas por elétrons livres. 
EX: ferro(Fe), cobre(Cu), alumínio (Al).
Iônicas: São formadas por atração eletrostática entre íons.
Ex: Sal(Na+Cl-)
Ligações covalentes- compartilhamento de elétrons entre átomos. 
EX. cristais de silício
Ligações moleculares- Forças de Vander Waals ou forças intermoleculares.
EX: Moléculas de água. 
Banda de energia 
É comum representar o modelo do átomo através do diagrama de níveis ou banda de energia.
Órbita eletrônica Diagrama de Energia (bandas de energia)
Quanto maior a energia do elétron, maior é o raio de sua órbita (Q > P > O > ...), e mais fracamente ele está ligado ao núcleo.
Mudança entre níveis de energia
Elétron muda para a banda de energia maior.
Elétron muda para a banda de energia menor.
Tipos de materiais
Isolantes
Semicondutores
Condutores
Obs: 1 elétron Volts= 1,602 x 10−19 joules
MATERIAIS SEMICONDUTORES INTRÍNSECOS
Os semicondutores intrínsecos ou puros são aqueles encontrados em estado natural.
Em eletrônica: O silício (Si) e o germânio (Ge). 
Tanto o silício quanto o germânio são elementos tetravalentes, ou seja, que possuem quatro elétrons na camada de valência. Permitindo, assim, que os seus átomos façam quatro ligações covalentes ou de compartilhamento de elétrons, para tornarem-se estáveis.
	
	
	Representação plana dos semicondutores
	Representação espacial da estrutura cristalina dos semicondutores
(formação tetraédrica)
Existem, ainda, os semicondutores III-V que são formados por um elemento trivalente, o GaAs (Arseneto de Gálio) e por um elemento pentavalente, InP (Fosfeto de Índio). Porém, o material semicondutor intrínseco mais utilizado é o silício que é abundante na natureza, sendo encontrado nos cristais de quartzo.
CONDUÇÃO ELÉTRICA NOS SEMICONDUTORES
Num determinado instante o material puro (semicondutor intrínseco) quando recebe um acréscimo de energia o elétron sai da banda de valência, o elétron livre deixa em seu lugar uma lacuna. Esta lacuna é um íon positivo.
	
	
	Formação de um íon positivo
	Movimento da lacuna
A movimentação da lacuna ocorre sempre no sentido contrário à movimentação do elétron. Este fenômeno ocorre sempre que existe a condução elétrica no material semicondutor. 
A condutibilidade no material puro é pequena. Para a maioria das aplicações não há elétrons livres suficientes num semicondutor intrínseco para produzir uma corrente elétrica utilizável.
Para aumentar a condutibilidade de um semicondutor, é adicionando impurezas aos átomos. 
O processo de introduzir átomos de impurezas num cristal de silício, de modo a aumentar tanto o número de elétrons livres quanto de lacunas, chama-se dopagem. Quando um cristal de silício foi dopado, ele passa a ser chamado de semicondutor extrínseco.
EXERCÍCIOS
1. Qual é a órbita de valência de um átomo e o que é valência?
2. O que é, e como é formada a banda de condução de um átomo?
3. O que é banda proibida?
4. O que define o comportamento elétrico dos materiais isolantes, condutores e
semicondutores? Justifique.
5. O que são as lacunas e como elas se movimentam num material semicondutor?
6. O que são elementos trivalentes, tetravalentes e pentavalentes?
7. Defina material semicondutor.
9. Quais as principais diferenças entre o material semicondutor e o material condutor?
10. Que faz com que os elétrons permaneçam estáveis em órbitas bem determinadas?
Exploração de Quartzo
Exploração de Quartzo com 99.7% de Silício
O silício é o segundo elemento mais abundante da face da terra, perfazendo 25.7% do seu peso.
O silício se cristaliza, como o diamante, em uma estrutura cúbica de face centrada , Silício puro.
Formação Tetraedro com SI e oxigênio.
"
Wafer" de chips Intel, em silício.
O silício supercondutor permite antever interessantes aplicações na área da eletrônica.
Teoria de semicondutores
Semicondutor Tipo N 
O semicondutor tipo N é obtido adicionando-se quantidades controladas de impurezas pentavalente ao material puro (semicondutor intrínseco). 
Por exemplo, adicionando-se o fósforo (P) o qual é pentavalente (5 elétrons na camada de valência), o mesmo substituirá um átomo de semicondutor (Ge ou Si). 
Quatro dos seus elétrons serão compartilhados com quatro átomos vizinhos de Si enquanto o quinto elétron poderá se tornar livre. 
 
 ( a )                                                            ( b )
Figura 1: ( a ) Átomo de fósforo ligado a quatro átomos de Si
 ( b )  quinto elétron livre gera um íon preso à estrutura cristalina.
Semicondutor Tipo P
O semicondutor tipo P é obtido adicionando-se quantidades controladas de impureza trivalente ao material puro (semicondutor intrínseco). 
Um exemplo deste tipo de impureza é o boro (B). Como o boro é tetrivalen os seus três elétrons de Valencia serão compartilhados com quatro átomos de Si, porém uma das ligações não será completada. 
Essa lacuna poderá se comportar como um portador de carga positivo, enquanto um elétron de valência de um átomo vizinho se deslocar para ocupar aquela vaga.
(a)
(b)
Figura 2: ( a ) Átomo de boro ligado a quatro átomos de Si ( b )  a vaga (lacuna) é preenchida por um elétron de valência de um átomo próximo, gera um íon negativo preso à estrutura cristalina.                
Portadoras majoritárias e minoritárias no semicondutor do tipo N
Em um material semicondutor tipo N: Os elétrons livres são chamados de portadores majoritários enquanto as lacunas são chamadas de portadores minoritários.
Em um material semicondutor tipo P: As lacunas livres são chamadas de portadores majoritários enquanto os elétrons livres são chamados de portadores minoritários.
Portadoras minoritárias são formadas devido a impurezas que não podem ser removidas, ou devido a fontes térmicas ou luminosas que fornecem energia para poucos elétrons mudar para a banda de valência. 
Importante lembrar!! Os materiais N e P são eletricamente neutros, as cargas livres são neutralizadas pelos íons presos à estrutura cristalina.
Junção PN
É obtida conectando de forma adequada, material P ao material N. Como existe uma diferença de concentração de portadores de ambos os lados da junção, inicialmente haverá uma difusão de   elétrons livres do lado N indo para o lado P e ao mesmo tempo lacunas se difundirão do lado P para o lado N. A conseqüência disso é que do lado N aparecerão íons positivos não neutralizados e do lado P íons negativos não neutralizados fazendo aparecer uma região que não tem  cargas  livres, por isso é chamada de região de depleção.  
Portanto, o diodo é formado pela união de dois materiais semicondutores (de dimensões finitas e que apresentam terminais em suas extremidades opostas - ver diagrama abaixo), um do tipo p e outro do tipo n, cujo o funcionamento é, basicamente, ditado pelas características de sua junção pn,
OPERAÇÃO SOB POLARIZAÇÃOSem tensão: Na ausência de uma tensão de polarização o fluxo resultante de carga em qualquer direção para um diodo semicondutor é zero.
Polarização reversa (VD <0) ou desligado (chave aberta) ID= 0A.
	A corrente que surge sob condições de polarização reversa e chamada de corrente de saturação reversa (Is).
Importante lembrar!! A largura da região de cargas espaciais ou região de depleção aumenta com o aumento da tensão reversa.
Polarização direta (VD>0) ou ligada (chave fechada) ID>0A.
Aumentando a tensão direta aplicada a uma junção a largura da região de depleção diminui
Através da Física do estado sólido e do estudo de fenômenos de transporte, pode-se chegar a uma expressão que representa o comportamento do diodo sob polarização reversa e direta, assumindo-se a polaridade da tensão e a direção da corrente conforme o circuito abaixo.   
 
onde:
k é a constante de Boltzmann (k = 1,381 × 10-23 J/K),
q é a carga do elétron (q = 1,602 × 10-19 C),
T é a temperatura absoluta (K),
V é chamada de constante térmica,
Is é a corrente de saturação reversa,
η é uma constante admensional empírica que obedece: 
	η = 1 
	Si 
	Altas correntes
	η = 2 
	Si 
	Baixas correntes
	η = 1 
	Ge 
	Qualquer valor de corrente
No livro a equação é:
Onde:
Is=corrente de saturação reversa
K=11600/ com =1 para o Ge e =2 para o Si.
Tk -Temperatura em Kelvin 
Em que:
Tk = Tc + 273,15 
Tc= temperatura em graus Celsius 
Exercícios:
Curva Característica do Diodo
VT é a tensão de limiar para condução do diodo (valor da tensão quando o prolongamento da região linear da curva do diodo sob polarização direta corta o eixo dos x).
Níveis de Resistência: como a curva característica do diodo nada mais é do que uma relação entre a tensão e a corrente de operação, do dispositivo, pode-se, portanto, definir uma resistência para o diodo.
No entanto, como a curva característica do semicondutor é não linear e como sinais de tensão DC e AC podem ser aplicados ao dispositivo, torna-se usual definir diferentes “tipos” de resistência para o diodo: resistência DC (RD), resistência AC (rD) e resistência AC média (rDmed).
	Niveís de Resistência
	Tipo de fontes
	Equação
	Características Especiais
	Determinação Gráfica
	DC 
ou Estática
	
	Definido como um 
ponto sobre a curva
	
	AC 
ou Dinâmica
	
	Definido por uma reta 
tangente no ponto Q
	
	AC
 Médio
	
	Definido por uma linha
 reta entre os limites de operação
	
EX: Determine os níveis de resistência CC do diodo da
Figura abaixo em:
a) ID = 2 mA 
b) ID = 20 mA 
c) VD = –10 V (polarização reversa)
Circuitos Equivalentes para o Diodo: como já ressaltado anteriormente, a curva característica do diodo é não linear. Portanto, a inclusão do diodo em um circuito qualquer causa uma considerável complicação na análise, uma vez que a sua relação tensão corrente envolve uma exponencial.
A simplificação na análise de circuitos com diodos (e outros dispositivos eletrônicos a semicondutor) pode ser obtida identificando-se as características do comportamento de operação do dispositivo e as modelando através de bipolos elétricos (resistores, capacitores, indutores, fonte de tensão, fonte de corrente, fonte de tensão vinculada, fonte de corrente vinculada, chave, etc.).
	Circuitos Equivalentes de diodo (Modelos)
	Tipo de
 modelo
	Condições
	Modelo
	Características
	Modelo 
Linear
	
	
	
	Modelo 
Simplificado
	RREDE>>rav
	
	
	Modelo
 Ideal
	RREDE>>rav
EREDE>>VT
	
	
Especificações ( folha de dados):
• tensão de condução: VD ≥ VT
• corrente direta máxima: IDmax;
• potência máxima dissipada: PDmax = VD x ΙDmax;
• máxima tensão reversa ou tensão de ruptura: VBR;
• corrente reversa ou de fuga: ΙR.
Como exemplo apresenta-se na Tabela a especificação do diodo 1N4001.
	Corrente direta máxima 
	IDM
	1A
	Corrente de fuga 
	IR
	10uA
	Tensão de ruptura 
	VBR , VZ
	50V
	Potência máxima 
	PDM
	1W
· Capacitâncias de junção: os modelos para o diodo são válidos para circuitos DC e circuitos AC de freqüência não muito alta → porém, para alta freqüência, efeitos capacitivos parasitas aparecem no diodo → capacitâncias de junção 
Polarização reversa → aumento do comprimento da região de depleção → aumenta a carga referente aos de íons fixos dos dois lados da junção (do lado n, tem-se carga positiva, e do lado p, tem-se carga negativa) → esta distribuição de cargas se assemelha àquela de um capacitor de placas paralelas que possui um dielétrico (material isolante, livre de cargas) entre as placas → forma-se, portanto, um capacitor devido a região de depleção junto a junção → capacitância de depleção ou transição CT. 
Polarização direta → estreitamento da região de depleção → diminui a carga referente aos de íons fixos dos dois lados da junção → no entanto, existe um acúmulo de cargas fora da região de depleção devido a polarização direta → difusão de portadores → forma-se, portanto, um capacitor devido a associação da região de depleção estreita e do acúmulo de portadores livres → capacitância de difusão CD. 
A figura abaixo mostra um gráfico que representa a variação da capacitância do diodo em função da tensão aplicada. Para incluir a capacitância no modelo do diodo, basta incluí-la em paralelo com os terminais do dispositivo, como no diagrama abaixo.
· Tempo de recuperação reversa
ts - tempo de armazenamento
tt - intervalo de transição
O tempo de recuperação reversa é a soma desses dois intervalos: trr =ts + tt
Outros tipos de diodo
DIODO ZENER: O diodo zener é um dispositivo semicondutor, que tem quase as mesmas características que o diodo normal. A diferença está na forma como ele se comporta quando está polarizado reversamente.
O diodo zener é construído com uma área de dissipação de potência suficiente para suportar o efeito avalanche. Assim, a tensão na qual este efeito ocorre é denominada tensão zener (VZ), podendo variar em função do tamanho e do nível de dopagem da junção PN. Comercialmente, são encontrados diodos zener com VZ de 2V a 200V.
DIODO EMISSOR DE LUZ (LED): Num diodo polarizado diretamente, os elétrons livres atravessam a junção e combinam-se com as lacunas. À medida que esses elétrons caem de um nível mais alto de energia para um mais baixo, eles irradiam energia. 
Nos diodos comuns essa energia é dissipada na forma de calor. Mas no diodo emissor de luz (LED), a energia é irradiada na forma de luz. 
Os LEDs substituíram as lâmpadas incandescentes em várias aplicações devido a sua baixa tensão, vida longa e rápido chaveamento liga-desliga.
Os LEDs têm uma queda de tensão típica de 1,5 a 2,5V, para correntes entre 10 e 50mA. A queda de tensão exata depende da corrente, da cor e da tolerância do LED.
	LED Led vermelho
	Material semicondutor que o constitui:
Fosfoarsenieto de gálio
	VT = 1,6 V
	LED verde
LED amarelo
	Material semicondutor que o constitui:
Fosforeto de gálio
	VT = 2,4 V
	LED infravermelho
	Material semicondutor que o constitui:
Arsenieto de gálio
	VT = 1,35 V
	Led Branco 
	
	VT=3,6V
FOTODIODO
O fotodiodo é um diodo que foi otimizado na sua sensibilidade para a luz. Nesse diodo, uma janela permite que a luz passe através do invólucro e chegue até a junção, produzindo elétrons livres e lacunas. Quanto mais intensa a luz, maior o número de portadores minoritários e maior a corrente reversa
OPTOACOPLADOR
Um optoacoplador, também chamado optoisolador ou isolador óptico, associa um LED a um fotodetetor num único invólucro.
DIODO SCHOTTKY
A falta de corrente reversa significa que o diodo Schottky pode desligar-se mais rápido do que um diodo comum, como mostra a figura abaixo. Na verdade, um diodo Schottky pode retificar facilmente sinais de freqüências acima de 300MHz.
Varicap ou Varactor 
O varactor também chamado capacitância de tensão variável, varicap, epicap ou diodo de sintonia, é muito usado em receptores de televisão, de FM e outros equipamentos de comunicação.
Quando polarizado reversamente, um diodo de pequeno sinal tem uma resistênciareversa que se situa na faixa dos megaohms. Em baixas freqüências, o diodo é comparado a um circuito aberto. Mas, em altas freqüências há um outro percurso para a corrente que precisa ser levado em conta.
Portanto, se a tensão reversa aumenta, aumenta o comprimento da região de depleção e, portanto, diminui-se a CT. Alternativamente, tem-se empiricamente que:
Onde:
Co é o valor da capacitância na condição de polarização nula. 
VR é a magnitude da tensão reversa aplicada. 
VT é a tensão de limiar para condução do diodo.
VARISTOR
As descargas elétricas, falhas nas linhas de transmissão, chaveamento de carga reativa, entre outros, podem poluir a tensão da linha pela superposição de picos, vales e outros transitórios a tensão normal de alimentação. Os vales são quedas de tensão abruptas que duram cerca de microssegundos ou menos. Os picos são sobretensões rápidas de 500 até mais de 2000V. Em alguns equipamentos são usados filtros entre a linha de alimentação e o primário do transformador, para eliminar os problemas causados pelos transitórios na linha.
Um dos componentes usados para filtrar a linha é o varistor, também chamado de supressor de transitório. Esse dispositivo semicondutor assemelha-se com dois diodos zener, um de costas para o outro, com uma tensão de ruptura bem alta em qualquer sentido. O varistor corta todos os picos de tensão acima da tensão especificada, protegendo o equipamento.
1