introduÇÃo À eletrÔnica bma/bmb/sem. semicondutores

INTRODUÇÃO À ELETRÔNICA

BMA/BMB/SEM

SEMICONDUTORESSEMICONDUTORES

Origem do termo semicondutor

Um semicondutor é um material que possui um nível de condutividade em algum ponto entre os extremos de um isolante (condutividade muito baixa) e um condutor.

Bandas de Energia

Banda de energia K L M N O P QN.o máximo de elétrons 2 8 18 32 32 18 2

Modelo atômico de Bohr.

Bandas de EnergiaQuanto maior a energia do elétron, maior é o raio de sua

órbita. Assim, um elétron da órbita Q tem mais energia que um elétron da órbita P. Este por sua vez, tem mais energia que um elétron da órbita O e assim por diante.

Banda de energia K L M N O P QN.o máximo de elétrons 2 8 18 32 32 18 2

Bandas de Energia

Banda de Valência ou Órbita de Valência

È a órbita mais externa de um átomo e define a sua valência.

Ou seja a quantidade de elétrons que pode se libertar do átomo através do bombardeio de energia externa (calor, luz ou outro tipo de radiação) ou se ligar a outro átomo através de ligações covalentes (compartilhamento dos elétrons da última órbita de um átomo com os elétrons da última órbita de outro átomo).

Bandas de Energia

Banda de Valência ou Órbita de Valência

Os elétrons da banda de valência são os que têm mais facilidade de sair do átomo.

têm uma maior energia; e

estão a uma distância maior em relação ao núcleo do átomo, logo a força de atração eletrostática é menor.

Desta forma uma pequena quantidade de energia recebida é suficiente para que se tornem elétrons livres, formando assim, uma banda de condução, sendo capazes de se movimentar pelo material.

Bandas de EnergiaOs elétrons livres sob a ação de um campo elétrico

formam a corrente elétrica como mostra a figura abaixo.

Formação de elétrons livres

Bandas de EnergiaCaso a banda de valência não possua o número máximo

de elétrons permitido será a responsável pelas ligações covalentes com os outros átomos de forma a tornar a ligação atômica estável.

O tamanho dessa banda proibida na última camada de elétrons define o comportamento elétrico do material.

Região proibida é a região entre uma órbita e outra onde não é possível existir elétrons. Devido a essas órbitas estarem a distâncias bem definidas em relação ao núcleo do átomo é que determinou esta região.

Bandas de Energia

a) isolante b) condutor c) semicondutor

Características dos materiais semicondutores

Resistividade (ρ, letra grega rô): é uma característica própria do material e independe da geometria do mesmo.

Resistência: é uma propriedade do corpo e depende da geometria do mesmo.

Resistividade X Resistência

Podemos encontrar peças feitas com materiais diferentes (diferentes resistividades), mas com a mesma resistência.

A resistividade afeta diretamente a resistência de um material. Essa dependência fica clara através da análise da equação abaixo.


R= ρ.L/A

Onde:

R-resistência do material, medido em ohms (Ω)

L-comprimento do material, medido em metros (m)

A-área da secção transversal, medido em metros quadrados (m2) e;

ρ-resistividade, medida em Ω x m.


Condutor Semicondutor Isolante

ρ ≡ 10-8 m ρ ≡ 50.10-2 m

(Germânio)ρ ≡ 1010 m

(Cobre) ρ ≡ 500 m

(Silício)(mica)

Tabela 1- Resistividade de materiais condutores, semicondutores e

isolantes a 300º K.

Os materiais semicondutores possuem um valor intermediário de resistividade.


Os materiais semicondutores podem mudar, de forma bem acentuada, sua resistividade e por conseqüência sua resistência elétrica, apenas com o aumento da energia térmica ou da energia luminosa fornecida a eles, essa característica é muito importante no desenvolvimento de dispositivos sensíveis ao calor e à luz.

O processo que muda significativamente as características do material, através da aplicação de impurezas, é conhecido como dopagem e é de fundamental importância para a obtenção de diodos e transistores.


Os materiais semicondutores, como o germânio e o silício, podem passar de condutores de corrente elétrica relativamente pobres para bons condutores, apenas com a aplicação de algumas impurezas (do tipo adequado) em suas estruturas.

Os mais comuns e mais utilizados são o silício (Si) e o germânio (Ge); e

Estrutura semicondutores

Existem vários tipos de materiais semicondutores;

Estes dois elementos são tetravalentes (família IV A), portanto possuem quatro elétrons em sua camada de valência

O Si e o Ge são tetravalentes, cada átomo pode realizar quatro ligações covalentes com outros quatro átomos.

Distribuição dos elétrons nos átomos de silício e germânio.

Estrutura semicondutores

Estrutura semicondutoresQuando átomos de silício se combinam para formar um

sólido, eles são arranjados segundo um padrão ordenado chamado cristal ou estrutura cristalina.

Representação tridimensional Representação simplificada plana.

Materiais

» Germânio;» Silício.

• Quanto à condutividade, os materiais são:

SEMICONDUTORES

– Bons condutores;– Maus condutores;– Isolantes.

Estrutura cristalinaEstrutura cristalina

Forma definida, regular e Forma definida, regular e estávelestável;;

Formada a partir de ligações covalentes;Formada a partir de ligações covalentes;

•Germânio e silício: 4 elétrons de valência;Germânio e silício: 4 elétrons de valência;

•Combinam-se pela regra do octeto;Combinam-se pela regra do octeto;

•Assim sendo, 4 ligações covalentes;Assim sendo, 4 ligações covalentes;


Estabilidade: Não perde suas características Estabilidade: Não perde suas características com facilidade;com facilidade;

Ainda assim recebe ou libera elétrons Ainda assim recebe ou libera elétrons dependendo da energia;dependendo da energia;

•Térmica, luminosa, magnética, Etc.Térmica, luminosa, magnética, Etc.

Elétron livre e a “sua vaga”: Elétron livre e a “sua vaga”: PORTADORESPORTADORES..


Representação tridimensional Representação simplificada plana.

PortadoresPortadores

Elétrons livres: Elétrons livres: PORTADORES NEGATIVOSPORTADORES NEGATIVOS;;

Lacunas (“suas vagas”): Lacunas (“suas vagas”): PORTADORES POSITIVOSPORTADORES POSITIVOS;;

Igual quantia de portadores num material: Igual quantia de portadores num material: CARGA CARGA ELÉTRICA NULAELÉTRICA NULA;;

Portanto, necessidade da inserção de impurezas: Portanto, necessidade da inserção de impurezas: DOPAGEMDOPAGEM;;

Materiais ExtrínsecosMateriais Extrínsecos

Um material semicondutor que tenha sido Um material semicondutor que tenha sido submetido a um processo de dopagem é chamado de submetido a um processo de dopagem é chamado de material extrínseco.material extrínseco.

A dopagem é adição de certos átomos de A dopagem é adição de certos átomos de impurezas ao material semicondutor relativamente impurezas ao material semicondutor relativamente puro.puro.

Há dois materiais extrínsecos de muita Há dois materiais extrínsecos de muita importância para a fabricação de dispositivos importância para a fabricação de dispositivos semicondutores: semicondutores: o tipo N o tipo N e o e o tipo Ptipo P. .

Elemento Elemento PP: Maior quantidade de : Maior quantidade de BURACOS ou BURACOS ou LACUNASLACUNAS;;

•Inserção de impurezas (dopagem) aceitadoras Inserção de impurezas (dopagem) aceitadoras (apenas 3 elétrons de valência):(apenas 3 elétrons de valência):

Geração de elementos N e Geração de elementos N e PP

as impurezas trivalentes são chamadas de as impurezas trivalentes são chamadas de impurezas tipo P ou aceitadoras.impurezas tipo P ou aceitadoras.


Cristal de silício com impureza trivalenteCristal de silício com impureza trivalente


Semicondutor tipo Semicondutor tipo PP

Geração de elementos Geração de elementos NN e P e P

Elemento Elemento NN: Maior quantidade de: Maior quantidade de ELÉTRONS ELÉTRONS LIVRESLIVRES;;

•Inserção de impurezas (dopagem) doadoras (5 Inserção de impurezas (dopagem) doadoras (5 elétrons de valência) material pentavalente:elétrons de valência) material pentavalente:

as impurezas pentavalentes são chamadas de as impurezas pentavalentes são chamadas de impurezas tipo N ou doadoras.impurezas tipo N ou doadoras.


Cristal de silício com impureza Cristal de silício com impureza pentavalentepentavalente


Semicondutor tipo Semicondutor tipo NN

Deslocamento de cargas nos elementosDeslocamento de cargas nos elementos

Junção PNJunção PN

O diodo semicondutor é constituído O diodo semicondutor é constituído basicamente por uma junção PNbasicamente por uma junção PN



Na fronteira, elétrons livres completam as lacunas;Na fronteira, elétrons livres completam as lacunas;

Formação de íons positivos e negativos;Formação de íons positivos e negativos;

Criação de uma DDP que impede novas combinações: Criação de uma DDP que impede novas combinações:

BARREIRA DE POTENCIALBARREIRA DE POTENCIAL

Também conhecida como zona de depleção ou de transição.Também conhecida como zona de depleção ou de transição.


Diferença de potencial criada na Diferença de potencial criada na barreira depotencial.barreira depotencial.


Símbolo elétrico do diodo semicondutor.Símbolo elétrico do diodo semicondutor.

Polarização direta da junção PNPolarização direta da junção PN

Os portadores são empurrados em direção ao cristal oposto;Os portadores são empurrados em direção ao cristal oposto;

Intensa redução da barreira de potencial;Intensa redução da barreira de potencial;

Criação de uma alta corrente do cristal N para o P;Criação de uma alta corrente do cristal N para o P;

Polarização inversa da junção PNPolarização inversa da junção PN

Os portadores são atraídos pelos pólos da fonte;Os portadores são atraídos pelos pólos da fonte;

Favorece o aumento da barreira de potencial;Favorece o aumento da barreira de potencial;

Ausência Ausência quasequase total de corrente nos cristais; total de corrente nos cristais;

•Circulação de apenas uma corrente de fuga desprezível.Circulação de apenas uma corrente de fuga desprezível.

RESUMORESUMO

Valores típicos de tensão direta:Valores típicos de tensão direta:

•Silício: 0,7V;Silício: 0,7V;

•Germânio: 0,2V.Germânio: 0,2V.

Diodo semicondutorDiodo semicondutor

Também comumente chamado de diodo retificador.Também comumente chamado de diodo retificador.

Fontes de tensãoFontes de tensão

Fonte de tensão retificadoraFonte de tensão retificadora

Retificador de ½ ondaRetificador de ½ onda

Retificador de onda completaRetificador de onda completa

Retificador em ponteRetificador em ponte

LEDLED

Do inglês: Do inglês: LLight ight EEmitter mitter DDiode;iode;

Toda junção dissipa energia quando conduzindo;Toda junção dissipa energia quando conduzindo;

Nos diodos retificadores, em forma de radiação infravermelha;Nos diodos retificadores, em forma de radiação infravermelha;

Os LEDs irradiam energia em forma de luz Os LEDs irradiam energia em forma de luz purapura;;

Devem ser polarizados diretamente;Devem ser polarizados diretamente;

Tensão direta em torno de 1,5 a 2,5 volts;Tensão direta em torno de 1,5 a 2,5 volts;

Tensão inversa em torno dos 4 volts;Tensão inversa em torno dos 4 volts;

•PROIBITIVO.PROIBITIVO.

TransistoresTransistores

TransistoresTransistores

VcVc VeVe

VbVb

ConfiguraçõesConfigurações

Amplificador em emissor comumAmplificador em emissor comum

OsciladoresOsciladores


ansformadoransformadorArmstrongArmstrongArms ongArms ongTRTR


artleyartleyHH


olpittsolpittsCC

Osciladores a cristalOsciladores a cristal

Utilizam um cristal piezoelétrico;Utilizam um cristal piezoelétrico;

Geralmente o quartzo;Geralmente o quartzo;

Vibram em uma freqüência de ressonância;Vibram em uma freqüência de ressonância;

Funcionamento idêntico ao tanque LC;Funcionamento idêntico ao tanque LC;

Seu uso garante alta estabilidade de freqüência do oscilador.Seu uso garante alta estabilidade de freqüência do oscilador.

FONTES DE ENERGIAFONTES DE ENERGIA

ClassificaçãoClassificação

Componente capaz de gerar uma DDP por meios próprios;Componente capaz de gerar uma DDP por meios próprios;

Estudaremos 3 tipos básicos:Estudaremos 3 tipos básicos:

– Fontes eletrônicas;– Pilhas ou baterias;– Dispositivos piezoelétricos.

Fontes químicasFontes químicas

Formadas pela combinação de diferentes materiais;Formadas pela combinação de diferentes materiais;

Esta combinação converte energia química em elétrica;Esta combinação converte energia química em elétrica;

PilhaPilha

Formada pela combinação de:Formada pela combinação de:

Ex. de eletrodos: zinco e cobre;Ex. de eletrodos: zinco e cobre;

O eletrólito pode ser ácido ou alcalino;O eletrólito pode ser ácido ou alcalino;

Pode ser também líquido ou pastoso:Pode ser também líquido ou pastoso:

– Um par de eletrodos metálicos diferentes;

– Composto químico condutor (ELETRÓLITO);

– Líquido: PILHA ÚMIDA;

– Pastoso: PILHA SECA;

Também conhecida como célula química;Também conhecida como célula química;

Conexão de várias células: BATERIA.Conexão de várias células: BATERIA.

Classificadas em PRIMÁRIAS e SECUNDÁRIAS.Classificadas em PRIMÁRIAS e SECUNDÁRIAS.

PilhaPilha

EletrólitoEletrólito

EletrodosEletrodos

Princípio de funcionamentoPrincípio de funcionamento

Um deles perde elétrons para o eletrólito;Um deles perde elétrons para o eletrólito;

Dessa forma:Dessa forma:

– Um eletrodo fica carregado negativamente;

– O outro, positivamente.

Há uma reação química dos eletrodos com o Há uma reação química dos eletrodos com o eletrólito;eletrólito;

O outro ganha elétrons do eletrólito;O outro ganha elétrons do eletrólito;

Pilhas primáriasPilhas primárias

Não devem ser reutilizadas;Não devem ser reutilizadas;

Devem ser retiradas com o fim do uso:Devem ser retiradas com o fim do uso:

– Risco de vazamento do eletrtólito.

Não podem ser recarregadas;Não podem ser recarregadas;

Pilhas secundáriasPilhas secundárias

– Usar somente água destilada.

São recarregáveis;São recarregáveis;

Carga semelhante à de um capacitor;Carga semelhante à de um capacitor;

Na recarga é produzido gás H e O;Na recarga é produzido gás H e O;

Por isto a água das pilhas deve ser reposta;Por isto a água das pilhas deve ser reposta;

A mesma não deve conter impurezas:A mesma não deve conter impurezas:

Exemplos de pilhasExemplos de pilhas

É o tipo mais comum e mais comercializado;É o tipo mais comum e mais comercializado;

É um dos tipos mais antigos de pilha seca;É um dos tipos mais antigos de pilha seca;

Usa uma haste de carbono num cilindro de zinco;Usa uma haste de carbono num cilindro de zinco;

Tensão nominal na ordem de 1,5V.Tensão nominal na ordem de 1,5V.

Zinco-carbonoZinco-carbono


É uma pilha seca secundária;É uma pilha seca secundária;

Usa o óxido de cádmio e hidróxido de níquel;Usa o óxido de cádmio e hidróxido de níquel;

Única bateria seca acumuladora de reação química Única bateria seca acumuladora de reação química reversível;reversível;

Isto lhe permite várias recargas;Isto lhe permite várias recargas;

É encapsulada em vários formatos.É encapsulada em vários formatos.

Níquel-cádmioNíquel-cádmio


É uma pilha primária;É uma pilha primária;

Usa o hidróxido de potássio como eletrólito;Usa o hidróxido de potássio como eletrólito;

Tem eletrodos de dióxido de manganês e zinco;Tem eletrodos de dióxido de manganês e zinco;

Possui a mesma construção da zinco-carbono;Possui a mesma construção da zinco-carbono;

Porém, possui maior vida útil;Porém, possui maior vida útil;

Tensão nominal de 1,5V.Tensão nominal de 1,5V.

AlcalinaAlcalina


Recarregável, composta por células de chumbo;Recarregável, composta por células de chumbo;

As células são unidas por separadores:As células são unidas por separadores:

Bateria chumbo-ácidoBateria chumbo-ácido

– Madeira porosa;

– Madeira perfurada;

– Fibra de vidro.

Placas positivas: PERÓXIDO DE CHUMBO;Placas positivas: PERÓXIDO DE CHUMBO;

Placas negativas: CHUMBO POROSO OU ESPONJOSO;Placas negativas: CHUMBO POROSO OU ESPONJOSO;

Eletrólito: solução de água e ácido sulfúrico;Eletrólito: solução de água e ácido sulfúrico;


Uso mais comum em automóveis e aeronaves;Uso mais comum em automóveis e aeronaves;

Bateria chumbo-ácidoBateria chumbo-ácido

Recarregadas por alternadores ou similares;Recarregadas por alternadores ou similares;

Também desprendem gases O e H;Também desprendem gases O e H;

Ou seja, também necessitam de água destilada.Ou seja, também necessitam de água destilada.

Fontes EletrônicasFontes Eletrônicas

Conversores e reguladores de energia elétrica;Conversores e reguladores de energia elétrica;

InversoresInversores

Geram tensão AC a partir de uma fonte DC;Geram tensão AC a partir de uma fonte DC;

Largamente empregados nas aeronaves;Largamente empregados nas aeronaves;

Utiliza osciladores;Utiliza osciladores;

Pode ainda utilizar amplificadores;Pode ainda utilizar amplificadores;

Existem os que utilizam motores CC.Existem os que utilizam motores CC.

Fontes linearesFontes lineares

São as mais utilizadas (eliminadores de pilha);São as mais utilizadas (eliminadores de pilha);

Seu componente básico é o Ckt. Retificador.Seu componente básico é o Ckt. Retificador.

Retificador de ½ ondaRetificador de ½ onda

VR = Vp . 0,318

VR = Vef . 0,45Indicados para correntes de carga de até 30mA.Indicados para correntes de carga de até 30mA.

Retificador de onda completa (CT)Retificador de onda completa (CT)

VR = Vp . 0,636

VR = Vef . 0,9

Retificador de onda completa (PT)Retificador de onda completa (PT)

VR = Vp . 0,636

VR = Vef . 0,9

Filtros de tensãoFiltros de tensão

Reduzem o nível de variação do CKT retificador;Reduzem o nível de variação do CKT retificador;

O mais simples e mais utilizado: O mais simples e mais utilizado: 1 capacitor1 capacitor;;

Baseado em suas constantes de carga e descarga;Baseado em suas constantes de carga e descarga;

Tais constantes geram uma rampa;Tais constantes geram uma rampa;

Em conseqüência, reduz-se a oscilação (RIPPLE):Em conseqüência, reduz-se a oscilação (RIPPLE):

Filtros de tensãoFiltros de tensão

O ripple é calculado com o FATOR DE RIPPLE(r);O ripple é calculado com o FATOR DE RIPPLE(r);

Também através da Também através da PORCENTAGEM DE ONDULAÇÃO;PORCENTAGEM DE ONDULAÇÃO;

Quanto mais sensível a carga, menor deve ser o fator Quanto mais sensível a carga, menor deve ser o fator de ripple ou a porcentagem de ondulação:de ripple ou a porcentagem de ondulação:

Vdc.32

Err 100.rond%

Er = tensão pico-a-pico do ripple;Er = tensão pico-a-pico do ripple;

Vdc = tensão média constante da carga.Vdc = tensão média constante da carga.

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