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Centro Universitário do Norte Paulista – UNORP

Prof. Daniel Cardoso da silva

Circuitos Elétricos

2º Ano Engenharia da Computação

SEMICONDUTORESESTUDO DO SEMICONDUTORES

Os átomos de germânio e silício tem uma camada devalência com 4 elétrons. Quando os átomos degermânio (ou silício) agrupam-se entre si, formam umaestrutura cristalina, ou seja, são substâncias cujosátomos se posicionam no espaço, formando umaestrutura ordenada. Nessa estrutura, cada átomo une-se a quatro outros átomos vizinhos, por meio deligações covalentes, e cada um dos quatro elétrons devalência de um átomo é compartilhado com um átomovizinho, de modo que dois átomos adjacentescompartilham os dois elétrons, ver figura abaixo.





SEMICONDUTORES





Se nas estruturas com germânio ou silício não fossepossível romper a ligações covalentes, elas seriammateriais isolantes. No entanto com o aumento datemperatura algumas ligações covalentes recebemenergia suficiente para se romperem, fazendo comque os elétrons das ligações rompidas passem a semovimentar livremente no interior do cristal,tornando-se elétrons livres.

SEMICONDUTORES





SEMICONDUTORES

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Com a quebra das ligações covalentes, no local ondehavia um elétron de valência, passa a existir umaregião com carga positiva, uma vez que o átomo eraneutro e um elétron o abandonou. Essa regiãopositiva recebe o nome de lacuna, sendo tambémconhecida como buraco. As lacunas não temexistência real, pois são apenas espaços vaziosprovocados por elétrons que abandonam as ligaçõescovalentes rompidas.

SEMICONDUTORES





Sempre que uma ligação covalente é rompida,surgem, simultaneamente um elétron e uma lacuna.Entretanto, pode ocorrer o inverso, um elétronpreencher o lugar de uma lacuna, completando aligação covalente (processo de recombinação). Comotanto os elétrons como as lacunas sempre apareceme desaparecem aos pares, pode-se afirmar que onúmero de lacunas é sempre igual a de elétronslivres.

SEMICONDUTORES





Quando o cristal de silício ou germânio ésubmetido a uma diferença de potencial, oselétrons livres se movem no sentido do maiorpotencial elétrico e as lacunas porconseqüência se movem no sentido contrárioao movimento dos elétrons.

SEMICONDUTORES





Os cristais de silício (ou germânio. Mas não vamos considera-lo, por simplicidade e também porque o silício é de usogeneralizado em eletrônica) são encontrados na naturezamisturados com outros elementos. Dado a dificuldade de secontrolar as características destes cristais é feito um processode purificação do cristal e em seguida é injetado através deum processo controlado, a inserção proposital de impurezasna ordem de 1 para cada 106 átomos do cristal, com aintenção de se alterar produção de elétrons livres e lacunas. Aeste processo de inserção dá-se o nome de dopagem.As impurezas utilizadas na dopagem de um cristalsemicondutor podem ser de dois tipos: impureza doadoras eimpurezas aceitadoras.

IMPUREZASSEMICONDUTORES

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IMPUREZA DOADORA

São adicionados átomos pentavalentes (com 5elétrons na camada de valência. Ex.: Fósforo eAntimônio). O átomo pentavalente entra no lugar deum átomo de silício dentro do cristal absorvendo assuas quatro ligações covalentes, e fica um elétronfracamente ligado ao núcleo do pentavalente (umapequena energia é suficiente para se tornar livre).

SEMICONDUTORES





SEMICONDUTORES





IMPUREZA ACEITADORA

São adicionados átomos trivalentes (tem 3 elétronsna camada de valência. Ex.: Boro, alumínio e gálio).O átomo trivalente entra no lugar de um átomo desilício dentro do cristal absorvendo três das suasquatro ligações covalentes. Isto significa que existeuma lacuna na órbita de valência de cada átomotrivalente.

SEMICONDUTORES





SEMICONDUTORES

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Um semicondutor pode ser dopado para ter umexcesso de elétrons livres ou excesso de lacunas. Porisso existem dois tipos de semicondutores:

SEMICONDUTORES





SEMICONDUTOR TIPO N

O cristal que foi dopado com impureza doadora échamado semicondutor tipo n, onde n estárelacionado com negativo. Como os elétrons livresexcedem em número as lacunas num semicondutortipo n, os elétrons são chamados portadoresmajoritários e as lacunas, portadores minoritários.

SEMICONDUTORES





SEMICONDUTOR TIPO P

O cristal que foi dopado com impureza aceitadora échamado semicondutor tipo p, onde p estárelacionado com positivo. Como as lacunas excedemem número os elétrons livres num semicondutor tipop, as lacunas são chamadas portadores majoritários eos elétrons livres, portadores minoritários.

SEMICONDUTORES





Diodos

A união de um cristal tipo p e um cristal tipo n,obtém-se uma junção pn, que é um dispositivo deestado sólido simples: o diodo semicondutor dejunção.

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DiodosDevido a repulsão mútua os elétrons livres do lado nespalham-se em todas direções, alguns atravessam ajunção e se combinam com as lacunas. Quando istoocorre, a lacuna desaparece e o átomo associadotorna-se carregado negativamente. (um íonnegativo)





Diodos

Cada vez que um elétron atravessa a junçãoele cria um par de íons. Os íons estão fixo naestrutura do cristal por causa da ligaçãocovalente. À medida que o número de íonsaumenta, a região próxima à junção fica semelétrons livres e lacunas. Chamamos estaregião de camada de depleção.





Diodos

Além de certo ponto, a camada de depleção agecomo uma barreira impedindo a continuação dadifusão dos elétrons livres. A intensidade da camadade depleção aumenta com cada elétron que atravessaa junção até que se atinja um equilíbrio. A diferençade potencial através da camada de depleção échamada de barreira de potencial. A 25º, estabarreira é de 0,7V para o silício e 0,3V para ogermânio.O símbolo mais usual para o diodo é mostrado aseguir:





Diodos

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Diodos

POLARIZAÇÃO DO DIODOPolarizar um diodo significa aplicar uma diferença depotencial às suas extremidades. Supondo umabateria sobre os terminais do diodo, há umapolarização direta se o pólo positivo da bateria forcolocado em contato com o material tipo p e o pólonegativo em contato com o material tipo n.





Diodos

POLARIZAÇÃO DIRETANo material tipo n os elétrons são repelidos peloterminal da bateria e empurrado para a junção. Nomaterial tipo p as lacunas também são repelidaspelo terminal e tendem a penetrar na junção, e istodiminui a camada de depleção. Para haver fluxo livrede elétrons a tensão da bateria tem de sobrepujar oefeito da camada de depleção.





DiodosPOLARIZAÇÃO REVERSA

Invertendo-se as conexões entre a bateria e a junçãopn, isto é, ligando o pólo positivo no material tipo n eo pólo negativo no material tipo p, a junção ficapolarizada inversamente.No material tipo n os elétrons são atraídos para oterminal positivo, afastando-se da junção. Fatoanálogo ocorre com as lacunas do material do tipo p.Podemos dizer que a bateria aumenta a camada dedepleção, tornando praticamente impossível odeslocamento de elétrons de uma camada paraoutra.





Diodos

CURVA CARACTERÍSTICA DE UM DIODO

A curva característica de um diodo é um gráfico querelaciona cada valor da tensão aplicada com arespectiva corrente elétrica que atravessa o diodo.

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DiodosPOLARIZAÇÃO DIRETA

Nota-se pela curva que o diodo ao contrário de, porexemplo, um resistor, não é um componente linear.





Diodos

TENSÃO DE JOELHOAo se aplicar a polarização direta, o diodo não conduzintensamente até que se ultrapasse a barreirapotencial. A medida que a bateria se aproxima dopotencial da barreira, os elétrons livres e as lacunascomeçam a atravessar a junção em grandesquantidades. A tensão para a qual a corrente começaa aumentar rapidamente é chamada de tensão dejoelho. ( No Si é aprox. 0,7V).





Diodos

O diodo polarizado reversamente, passa umacorrente elétrica extremamente pequena, (chamadade corrente de fuga).Se for aumentando a tensão reversa aplicada sobre odiodo, chega um momento em que atinge a tensãode ruptura (varia muito de diodo para diodo) a partirda qual a corrente aumenta sensivelmente.

* Salvo o diodo feito para tal, os diodos não podemtrabalhar na região de ruptura.

POLARIZAÇÃO REVERSA DO DIODO





DiodosPOLARIZAÇÃO REVERSA DO DIODO

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DiodosGRÁFICO COMPLETO.





DiodosESPECIFICAÇÕES DE POTÊNCIA DE UM DIODOEm qualquer componente, a potência dissipada é atensão aplicada multiplicada pela corrente que oatravessa e isto vale para o diodo:

P = U∗ I

Não se pode ultrapassar a potência máxima,especificada pelo fabricante, pois haverá umaquecimento excessivo. Os fabricantes em geralindicam a potência máxima ou corrente máximasuportada por um diodo.





Diodos

Ex.: 1N914 - PMAX = 250mW1N4001 - IMAX = 1A

Usualmente os diodos são divididos em duascategorias, os diodos para pequenos sinais (potênciaespecificada abaixo de 0,5W) e os retificadores(PMAX > 0,5W).





Diodos

RESISTOR LIMITADOR DE CORRENTE

Num diodo polarizado diretamente, umapequena tensão aplicada pode gerar umaalta intensidade de corrente. Em geral umresistor é usado em série com o diodopara limitar a corrente elétrica que passaatravés deles.RS é chamado de resistor limitador decorrente. Quanto maior o RS, menor acorrente que atravessa o diodo e o RS .

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DiodosReta de Carga

•Determinação exata do valor de corrente e tensão no diodo;•A corrente no circuito é:

•Se, VS = 2 V e RS = 100 Ω, então:





DiodosPontos de cruzamento nos eixos :•V = 0 (I = 20 mA) – ponto de corte•I = 0 (V = 2V) – ponto de saturação•Outros valores permitem calcular os pontos da reta de carga

Ponto Q (quiescente) – ponto de operação•Ponto de intersecção entre a reta de carga e a curva do diodo;•VQ = 0,75 V e IQ = 12,5 mA;•Outras retas de carga:





Diodos





DiodosCircuitos Equivalente dos Diodos•Tensão de limiar: aproximações de 10%;•Primeira aproximação: Diodo Ideal•Condução direta e bloqueio quandopolarizado reversamente;

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DiodosSegunda aproximação:

•Tensão de limiar constante de 0,7 V –inclusão de uma fonte dc;





Diodos

Terceira aproximação:

•Inclusão de uma resistência rB





Diodos

DIODO EMISSOR DE LUZ E FOTODIODOO diodo emissor de luz (LED) é um diodo quequando polarizado diretamente emite luzvisível (amarela, verde, vermelha, laranja ouazul) ou luz infravermelha. Ao contrário dosdiodos comuns não é feito de silício, que é ummaterial opaco, e sim, de elementos comogálio, arsênico e fósforo. É amplamente usadaem equipamentos devido a sua longa vida,baixa tensão de acionamento e boa respostaem circuitos de chaveamento.





DiodosA polarização do LED é similar ao um diodo comum,ou seja, acoplado em série com um resistor limitadorde corrente, como mostrado anteriormente. O LED éesquematizado como um diodo comum com setaapontando para fora como símbolo de luz irradiada. Acorrente que circula no LED é:

Para a maioria dos LED’s disponíveis no mercado, a queda de tensão típica é de 1,5 a 2,5V para correntes entre 10 e 50mA.

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DiodosFOTODIODOÉ um diodo com encapsulamento transparente,reversamente polarizado que é sensível a luz. Nele, oaumento da intensidade luminosa, aumenta sua a correntereversa Num diodo polarizado reversamente, circulasomente os portadores minoritários. Esses portadoresexistem porque a energia térmica entrega energia suficientepara alguns elétrons de valência saírem fora de suas órbitas,gerando elétrons livres e lacunas, contribuindo, assim, paraa corrente reversa. Quando uma energia luminosa incidenuma junção pn, ela injeta mais energia ao elétrons devalência e com isto gera mais elétrons livres. Quanto maisintensa for a luz na junção, maior será corrente reversa numdiodo.





Diodos

DIODO ZENER

• Otimizado para trabalhar na região de ruptura(diodo de ruptura);• Usado intensivamente em reguladores de tensão;• Mantém a tensão de saída constante apesar degrandes variações da tensão de entrada e daresistência da carga;• De acordo com a dopagem, a tensão de rupturavaria de 2 a 200 V;





Diodos

•Ao atingir Vz (com IZT) , a tensão permanece constante;• IZT – corrente zener máxima





Diodos

P = V * I

Exemplo 1-3: Se um diodo zener de 12V tem uma especificação de potência máxima de 400mW, qual será a corrente máxima permitida?

CORRENTE MÁXIMA NO ZENER

Obs: Izmin = Izmax /10

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Diodos

REGULADOR DE TENSÃO COM ZENER

Objetivo: manter a tensão sobre a carga constante e de valor Vz.





DiodosO Resistor Rs serve para limitar a corrente no diodoZener, sendo que, a pior situação possível é quandoa carga for infinita, ou seja, a fonte em aberto(IL=0) e a tensão de entrada com a máximavariação (VEmáx = VE + ∆VE). Nessa situação,vamos dimensionar Rs:

IZmáx

VzVERS

−=

minmin





DiodosEssa relação nos dá o valor mínimo de Rs. Para fins deprojeto, devemos adotar um valor comercial maiorque RSmin, porém o mais próximo possível, paramaior rendimento, a nível de corrente de saída dafonte. O limite superior para esse valor é dado,considerando a tensão de entrada mínima (VEmin =VE – ∆VE) e a corrente mínima de operação para odiodo Zener (Izmin. Portanto, temos:

min

min

IZ

VZVERSmáx

−=





Diodos

Na situação da corrente máxima de saída (ILmáx),a corrente que pode circular pelo diodo Zener éIZmin. Para fins de segurança, considerar como amínima tensão de entrada (VEmin). Portanto:

Rs

VZVEIonde

IZIILmáx

−=

−=

min:

min

Substituindo

minmin

max IZRs

VZVEIL −

−=

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Diodos

Considerando um carga específica (RL), é possíveldeterminar as relações para se obter a máximavariação da tensão de entrada possível. Nessasituação, temos:

RL

VsIL =

Escrevendo a equação da tensão de entrada:

VZIRSVE += .





Diodos

VZILIZmáxRsVEmáx

VZILIZRsVE

ILIZIonde

++=

++=

∴

+=

).(

)min.(min

:





Diodos

Optoacoplador•Associa um LED a um fotodetetor num único dispositivo;•Isolação elétrica entre os circuitos - Megaohms

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