Filosofia do Semicondutor

Estrutura da Matéria

� A molécula é a menor porção em que um material pode ser dividido sem que venha sofrer alterações em suas propriedades. Da divisão de uma molécula , chega-se ao átomo. O átomo, porém, não conserva as propriedades do material original. Exemplo: molécula da água.

� Átomo é o elemento químico que compõe a molécula, formado por partículas denominadas elétrons, prótons e nêutrons.

� Os prótons e os nêutrons constituem o núcleo. Os prótons têm carga elétrica positiva e os nêutrons não têm carga elétrica.

� Os elétrons têm carga elétrica negativa e giram ao redor do núcleo em órbitas concêntricas.

� As órbitas correspondem a sete diferentes níveis de energia em torno do núcleo com as denominações seguintes: K, L, M, N, O, P e Q, sendo K a órbita mais interna e Q a mais externa.

� Cada órbita pode conter um número máximo de elétrons:

� Os elementos químicos se distinguem pelo número total de elétrons que se distribuem em suas órbitas.

� A última órbita que contém elétrons é denominada órbita de valência, pois somente ele pode ceder ou receber elétrons. Logo, os elétrons de valência são os únicos em condição de participar de fenômenos químicos e/ou elétricos.

Estabilidade dos Átomos

� A estabilidade da maioria dos átomos é obtida quando a sua última órbita contém oito elétrons. Na natureza apenas os gases nobres possuem essa característica, tais como o argônio e o criptônio.

� A última camada do argônio é a M e a do criptônio é a N, mas nos dois átomos essas órbitas apresentam-se com oito elétrons. Portanto, esses átomos são estáveis.

� A maioria dos átomos não atinge a estabilidade sozinha, pois a órbita de valência apresenta menos de oito elétrons.

� Assim, esses átomos precisam se unir com outros, cedendo, recebendo ou compartilhando elétrons, a fim de atingir a estabilidade.

� Essa união pode ser dar através de duas maneiras diferentes: a eletrovalência e a covalência.

Eletrovalência

� Existe eletrovalência quando um dos átomos de uma molécula doa, definitivamente, elétrons aos átomos vizinho, que o recebe definitivamente, visando à estabilidade. Isto pode ser observado na ligação eletrovalente entre os átomos de sódio ( ) e de cloro ( ), formando a molécula de (cloreto de sódio).

� Ligação Eletrovalente na Molécula de

� Nessa molécula, o sódio ( ) cede, em caráter definitivo, um elétron ao cloro ( ), de modo que ambos passem a ter oito elétrons na órbita de valência. Desta forma, os dois átomos tornam-se estáveis.

Covalência

� Existe covalência quando os átomos compartilham elétrons para atingir a estabilidade. Um exemplo de ligação covalente ocorre entre dois átomos de oxigênio ( ) e um de carbono ( ), formando a molécula de (dióxido de carbono).

� Nessa molécula, os átomos de oxigênio possuem seis elétrons na órbita de valência, enquanto o carbono possui quatro. O compartilhamento de dois elétrons de cada átomo de oxigênio com os quatro elétrons de carbono forma uma molécula estável, como se os três átomos tivessem oito elétrons na órbita de valência.

� Os materiais condutores são formados por átomos cujos elétrons da órbita de valência estão fracamente ligados ao núcleo, de modo que a temperatura ambiente tem energia suficiente para arrancá-los da órbita, tornando-os livres.

� Assim, sob a ação de uma diferença de potencial, os elétrons livres passam a se locomover facilmente no interior do material condutor.

� Como exemplo de condutores pode-se considerar: o ouro, a prata, o cobre ou qualquer outro metal.

� Quanto maior o número de elétrons livres, maior é a condutividade do material. Em relação à ação da temperatura sobre a condutividade, é importante observar que o aumento da energia térmica provoca um movimento desordenado nos elétrons livres, causando choques entre eles, o que dificulta a condução.

� Os materiais isolantes são formados por átomos cujos elétrons da órbita de valência estão fortemente ligados ao núcleo, de modo que a temperatura ambiente não tem energia suficiente para arrancá-los da órbita. Portanto, há pouquíssimos elétrons livres.

� Assim, a ação de uma diferença de potencial não provoca fluxo de elétrons no interior do material isolante.

� Destacam-se, como isolantes, a borracha, a mica, a porcelana, entre outros.

Semicondutores – Estrutura Atômica

� Os materiais semicondutores mais comuns são o silício ( ) e o germânio ( ), que em estado puro

apresentam-se na forma de um cristal, significando que seus átomos acham-se dispostos uniformemente em uma configuração rígida.

� Esses materiais são tetravalentes, ou seja, possuem quatro elétrons na órbita de valência.

� Estruturas Atômicas do Silício e do Germânio

� Como a estabilidade é atingida com oito elétrons na última órbita, cada átomo desses materiais faz quatro ligações covalentes com quatro átomos vizinhos, tornando-se estáveis e dando origem à seguinte estrutura cristalina.

� Da forma como se apresenta esse semicondutor em uma temperatura muito baixa, ao se aplicar uma tensão, não há corrente, pois os elétrons acham-se presos às ligações de valência, ou seja, não há elétrons livres para a condução.

� Para que haja corrente é necessário romper as ligações covalentes mediante o fornecimento de energia suficiente para isso, nas formas de luz, de calor, etc.

Semicondutores – Geração de Pares Elétron-Lacuna

� Se houver o rompimento de uma ligação covalente, ocorrerá a liberação de um elétron e, como conseqüência, haverá o surgimento de um espaço vazio no qual esse elétron se encontrava. A esse espaço vazio dá-se o nome de lacuna. Portanto, o rompimento de cada ligação covalente gera um par elétron-lacuna.

A lacuna comporta-se como uma carga positiva, pois pode se mover de um lado a outro do cristal, sempre no sentido contrário ao movimento do elétron

� Condução de Eletricidade por Elétrons e Lacunas

� Do esquema de condução apresentado, observa-se que quem realmente tem mobilidade são os elétrons livres. Ao se deslocarem em direção ao potencial positivo da fonte, eles ocupam sucessivas lacunas. Por essa razão diz-se que as lacunas deslocam-se em sentido contrário ao deslocamento dos elétrons, isto é, em direção ao potencial negativo da fonte.

� Quando os elétrons e as lacunas se movimentam, há a possibilidade de ambos se recombinarem, eliminando, dessa maneira, um par elétron-lacuna.

� Desta forma, nem as lacunas nem os elétrons conservam-se livres indefinidamente.

� Como conclusão pode-se afirmar que o material semicondutor possui dois tipos de correntes ou portadores de cargas. As lacunas são os portadores positivos e os elétrons são os portadores negativos.

� Na realidade, a própria temperatura ambiente é responsável por fornecer energia suficiente para a geração de alguns poucos pares elétron-lacuna, fazendo com que esse semicondutor puro tenha uma pequena condutividade.

Processo de Dopagem nos Semicondutores

� Dopagem é o nome do processo utilizado para construir os semicondutores tipo P e tipo N por meio da adição ao silício ou ao germânio de quantidades bem reduzidas e definidas de impurezas. Entende-se por impureza todo átomo que seja diferente ao átomo de silício ou ao de germânio.

Formação do Semicondutor Tipo P

� Para a formação do semicondutor tipo P são adicionados ao silício ou ao germânio átomos de elementos trivalentes. Trivalentes são os elementos que possuem três elétrons em suas órbitas de valência, como, por exemplo, o alumínio, o índio, o boro e o gálio.

� Ao se introduzir no silício, que é tetravalente, uma pequena quantidade de material trivalente, os elétrons dessa impureza farão ligações covalentes com os elétrons do silício.

� Geração de Lacuna por Dopagem Trivalente

� No entanto, falta um elétron para completar a ligação em cada átomo trivalente, pois ele colaborou apenas com três elétrons, enquanto o silício possui quatro elétrons. Essa falta de um elétron faz com esse elemento assim constituído haja como uma carga positiva, ou seja, como uma lacuna.

� Porém, é importantíssimo ressaltar que esse novo elemento é eletricamente neutro, pois tanto o átomo de silício como o do material trivalente também são eletricamente neutros.

� Assim, de um modo artificial, consegue-se gerar lacunas sem gerar elétrons livres. Esse semicondutor, que se apresenta com excesso de lacunas ou com falta de elétrons é denominado de tipo P.

� Na realidade o semicondutor tipo P também possui elétrons livres gerados à temperatura ambiente, mas eles são em número menor.

� Concluindo, no semicondutor tipo P os portadores majoritários são as lacunas ao passo que os portadores minoritários são os elétrons.

Formação do Semicondutor Tipo N

� Para a formação do semicondutor tipo N são adicionados ao silício ou ao germânio átomos de elementos pentavalentes. Pentavalentes são os elementos que possuem cinco elétrons em suas órbitas de valência, como, por exemplo, o antimônio, o fósforo e o arsênio.

� Ao se introduzir no silício, que é tetravalente, uma pequena quantidade de material pentavalente, os elétrons dessa impureza farão ligações covalentes com os elétrons do silício.

Geração de Elétron Livre por Dopagem Pentavalente

� No entanto, há uma sobra de um elétron livre do átomo pentavalente, pois ele não faz ligação covalente com nenhum elétron dos átomos de silício.

� Porém, é importantíssimo ressaltar que esse novo elemento é eletricamente neutro, pois tanto o átomo de silício como o do material pentavalente também são eletricamente neutros.

� Assim, de um modo artificial, consegue-se gerar elétrons livres sem gerar lacunas. Esse semicondutor, que se apresenta com excesso de elétrons ou com falta de lacunas é denominado de tipo N.

� Na realidade o semicondutor tipo N também possui lacunas gerados à temperatura ambiente, mas eles são em número menor.

� Concluindo, no semicondutor tipo N os portadores majoritários são os elétrons ao passo que os portadores minoritários são as lacunas.

Formação dos Semicondutores Tipo N e Tipo P

� O processo de dopagem nos semicondutores ocorre de forma absolutamente semelhante com o germânio, que também é um elemento tetravalente, tanto quando forem introduzidas impurezas trivalentes, para a obtenção do semicondutor tipo P, quanto quando forem introduzidas impurezas pentavalentes, para a obtenção do semicondutor tipo N.

Influência da Temperatura nos Semicondutores

� Nos condutores, o aumento da temperatura provoca um movimento desordenado de elétrons, aumentando as colisões e, conseqüentemente, a resistência do material. Já nos semicondutores ocorre totalmente o inverso. O aumento da temperatura diminui a resistência devido ao aumento da geração de pares elétron-lacuna.

� A própria expressão “semicondutor” apresenta uma sugestão sobre sua característica. O prefixo semi é normalmente aplicado a uma faixa de níveis situada entre dois limites.

� O termo condutor é aplicado a qualquer material que sustenta um fluxo de uso de carga, quando uma fonte de tensão de amplitude limitada é aplicada através de seus terminais.

� Um isolante é o material que oferece um nível muito baixo de condutividade sob pressão de uma fonte de tensão aplicada.

� Um semicondutor é, portanto, o material que possui um nível de condutividade entre os extremos de um isolante e um condutor.

� Inversamente relacionada à condutividade de um material está sua resistência ao fluxo de carga, ou corrente. Isto é, maior o nível de condutividade, menor o nível de resistência. Na prática o termo resistividade é geralmente usado quando se compara aos níveis de resistência dos materiais. A próxima tabela apresenta alguns valores típicos comparativos de resistividade para materiais condutores, isolantes e semicondutores.

� Embora possam ser familiares as propriedades elétricas do cobre e da mica, as características dos materiais semicondutores do germânio (Ge) e do silício (Si) podem ser relativamente inéditas.

� Certamente, eles não são os únicos dois elementos semicondutores disponíveis na natureza, mas são, certamente, os elementos que tiveram maior interesse da ciência, em face de certas características específicas, ainda que, entre os dois, exista uma preferência pelo silício em detrimento ao germânio.

� Uma consideração relevante sobre este fato está consubstanciada na constatação de que eles podem ser fabricados em um nível muito grande de pureza.

� De fato, avanços recentes na tecnologia têm possibilitado reduzir sensivelmente os níveis de impureza no material para uma parte por 10 bilhões (1 : 10.000.000.000).

� A inclusão de níveis de impureza, obviamente do tipo e da quantidade adequados a uma pastilha (wafer) do material de silício, por exemplo, pode alterar as características de condutividade elétrica desse elemento.

� Essa mudança é suficiente para transformar um condutor relativamente pobre em um bom condutor de eletricidade.

� A este processo, que corresponde a capacidade de se alterar as características do material, dá-se o nome de dopagem.

� Algumas das qualidades particulares do germânio e do silício são devidas as suas estruturas atômicas. Os átomos de ambos os materiais formam um modelo bem preciso, que é periódico por excelência. Um modelo completo é denominado cristal, assim como um arranjo periódico dos átomos recebe o nome de rede. Para esses materiais, o cristal tem a estrutura de diamante tridimensional.

� Qualquer material composto apenas de estruturas cristalinas repetidas do mesmo tipo é chamado de uma singular estrutura de cristal. Para materiais semicondutores de aplicação prática no campo da eletrônica, esta característica de cristal singular existe e, além disso, a periodicidade da estrutura não muda significativamente com a adição de impurezas no processo de dopagem.

Bandas de Energia

� Genericamente, um átomo é formado por elétrons que giram ao redor de um núcleo composto por prótons e nêutrons, sendo que o número de elétrons, prótons e nêutrons é diferente para cada tipo de elemento químico.

� Os elétrons giram em órbitas ou níveis bem definidos, conhecidos como K, L, M, N, O, P, e Q, que representa o modelo atômico de Bohr.

� Quanto 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.

� A energia de cada uma das órbitas pode ser facilmente esquematizada.

� A mecânica quântica estuda de forma profunda esta relação entre os raios das órbitas possíveis, os níveis de energia correspondentes e o número máximo de elétrons permitido em cada órbita.

� No entanto, para o estudo dos materiais semicondutores, é necessário, apenas, observar que um elétron precisa estar a uma determinada distância (órbita) do núcleo e com uma determinada velocidade (energia cinética) para que a força centrífuga sobre ele, orientada radialmente e para fora do átomo, equilibre-se com a força eletrostática entre ele e o núcleo, orientada radialmente em direção ao núcleo (atração eletrostática), tornando-o estável.

� Estas condições de estabilidade dos elétrons em determinadas órbitas fazem com que em cada uma delas seja possível um número máximo de elétrons.

� A última órbita de um átomo define a sua valência, ou seja, a quantidade de elétrons desta órbita 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).

� Esta órbita mais externa recebe, por isso, o nome de órbita de valência ou banda de valência.

� Os elétrons da banda de valência são os que têm mais facilidade de sair do átomo. Em primeiro lugar, porque eles têm uma energia maior e, em segundo lugar, porque, por estar a uma distância maior em relação ao núcleo do átomo, a força de atração eletrostática é menor.

� Com isso, uma pequena quantidade de energia recebida faz com que eles se tornem elétrons livres, formando assim, uma banda de condução, sendo capazes de se movimentar pelo material. São estes elétrons livres que, sob a ação de um campo elétrico, formam a corrente elétrica.

� Da mesma forma, caso a banda de valência não possua o número máximo de elétrons permitido, é ela a responsável pelas ligações covalentes com outros átomos de forma a tornar a ligação atômica estável.

� O fato dessas órbitas estarem a distâncias bem definidas em relação ao núcleo do átomo, faz com que entre uma órbita e outra exista uma região onde não é possível existir elétrons, denominada banda proibida.

� O tamanho dessa banda proibida na última camada de elétrons define o comportamento elétrico do material, onde estão representadas as três situações lógicas possíveis.

� No primeiro caso, um elétron, para se livrar do átomo, tem que dar um salto de energia muito grande. Desta forma, pouquíssimos elétrons têm energia suficiente para sair da banda de valência e atingir a banda de condução, fazendo com que a corrente elétrica neste material seja sempre muito pequena. Essa é uma característica dos materiais isolantes.

� No segundo caso, um elétron pode passar facilmente da banda de valência para a banda de condução sem precisar de muita energia. Isso acontece principalmente nos materiais metálicos, onde a própria temperatura ambiente é suficiente para o surgimento de uma grande quantidade de elétrons livres. Essa é uma característica dos materiais condutores.

� O terceiro caso é uma situação intermediária entre os dois outros. Um elétron precisa dar um salto para sair da banda de valência e atingir a banda de condução, mas é um salto pequeno e, por isso, esses materiais possuem características intermediárias em relação aos dois anteriores, sendo estes os materiais semicondutores.

� Estas diferenças entre os diversos materiais podem ser explicadas em função de alguns fatores:

Composição química caracteriza os elementos químicos que formam o material: cobre, carbono, silício, etc.

Ligação caracteriza o tipo de ligação que une os elementos químicos desses materiais: covalente, iônica ou metálica.

Forma de organização caracteriza a forma como os átomos desses elementos se organizam entre si (estrutura amorfa, quando estão desorganizados; estrutura cristalina, quando estão organizados).

� Todos esses fatores determinam o número de órbitas e a intensidade das forças de atração e de repulsão das cargas elétricas presentes nos átomos e, por isso, influenciam nas posições das órbitas e no tamanho das bandas proibidas.

Materiais Semicondutores Intrínsecos

� O germânio e o silício são exemplos dos chamados materiais semicondutores intrínsecos.

� Estes dois elementos caracterizam-se por serem tetravalentes, ou seja, por possuírem quatro elétrons na camada de valência.

� Esta observação é constatada quando se observa que o átomo de germânio possui 32 elétrons orbitando em torno de seu núcleo, enquanto o átomo de silício possui 14 elétrons. A tabela seguinte apresenta a distribuição de elétrons para os átomos de germânio e de silício.

� Em um cristal puro de germânio ou de silício, estes quatro elétrons de valência estão ligados a quatro átomos de ligação, constituindo as ligações covalentes do átomo.

� O silício é o material mais utilizado em razão de ser abundante na natureza. Pode ser obtido a partir do quartzo que prolifera na areia das praias e na terra. Portanto, ele é muito mais barato que

os demais componentes semicondutores.

Condução Elétrica nos Semicondutores

� Seja um elétron que se libertou do átomo por ter recebido energia suficiente, tornando-se livre. O átomo fica, então, com uma ligação incompleta e, como ele perdeu um elétron, está ionizado positivamente.

� Após um determinado tempo, observando-se novamente a estrutura deste semicondutor, pode-se constatar que aquele íon positivo “andou”.

� Em outras palavras, ocorreu algum tipo de fenômeno no qual os átomos, embora presos à estrutura do material semicondutor, mudaram de posição. Na verdade, não foi o íon que mudou de posição, mas outro elétron que saiu do seu átomo de origem e ocupou a lacuna deixada pelo elétron anterior, completando aquela ligação, deixando, porém, outra ligação incompleta, ou seja, criando outro íon positivo.

� Portanto, a movimentação do íon positivo num sentido corresponde, na realidade, à movimentação do elétron no sentido contrário.

� Este movimento dos íons positivos pode ser entendido como um movimento de partículas positivas chamadas de lacunas.

� Portanto, cientificamente, o movimento dos elétrons (partículas negativas) num sentido significa a mesma coisa que o movimento das lacunas (partículas positivas) no sentido contrário.

� Este fenômeno ocorre sempre que existe a condução elétrica.

� Num material condutor submetido a um potencial elétrico, pelo fato de ele possuir muitos elétrons livres, o movimento das lacunas é desprezível.

� Porém, nos materiais semicondutores intrínsecos, como para cada elétron livre gerado tem-se uma lacuna correspondente, o movimento destas não pode ser desconsiderado e, portanto, quando um semicondutor é submetido a um potencial elétrico, tanto a condução dos elétrons num sentido quanto a das lacunas no sentido contrário são importantes.

Materiais Extrínsecos

� As características dos materiais semicondutores podem ser alteradas significativamente pela adição de certos átomos de impurezas no material semicondutor relativamente puro. Estas impurezas, embora talvez adicionadas apenas uma parte em 10 milhões, podem alterar suficientemente a estrutura de banda para modificar totalmente as propriedades elétricas do material.

� Um material semicondutor que tem estado sujeito ao processo de dopagem é chamado material extrínseco. Existem dois materiais extrínsecos de importância imensurável para a fabricação de um dispositivo semicondutor: tipo N e tipo P.

Material Tipo N

� Tanto o material do tipo N quanto o do tipo P são formados pela adição de um número predeterminado de átomos de impureza em uma base de germânio ou de silício. O tipo N é criado introduzindo-se os elementos de impureza que têm cinco elétrons de valência (pentavalente), como o antimônio (Sb), o arsênio (As) e o fósforo (P). O efeito de tais elementos de impureza está mostrado na figura a seguir, na qual foi utilizado o antimônio como a impureza em uma base de silício.

� Note que as quatro ligações covalentes ainda estão presentes, entretanto existe um quinto elétron adicional devido ao átomo de impureza, que está desassociado com qualquer ligação covalente particular.

� Este elétron restante, fracamente ligado a seu átomo de origem (antimônio), está relativamente livre para mover-se dentro do material tipo N recentemente formado.

� Desta forma, o átomo de impureza inserido contribuiu com um elétron relativamente livre para a estrutura.

� Sendo assim, as impurezas dispersas com cinco elétrons de valência são chamadas átomos doadores.

� É importante compreender que mesmo que um grande número de portadores “livres” tenha sido estabelecido no material tipo N, ele continua sendo um elemento eletricamente neutro, pois o número de prótons carregados positivamente no núcleo ainda é igual ao número de elétrons que estão orbitando e mais os livres, carregados negativamente na estrutura.

Material Tipo P

� O material tipo P é formado dopando-se um cristal puro de germânio ou de silício, com átomos de impureza apresentando três elétrons de valência (trivalentes). Os elementos mais freqüentemente usados para este propósito são o boro (B), o gálio (Ga) e o índio (In). O efeito de um destes elementos, o boro, sobre uma base de silício está indicado na figura a seguir. Note que existe agora um número insuficiente de elétrons para completar as ligações covalentes da rede recentemente formada.

� A lacuna resultante é chamada de buraco, e é representada por um pequeno círculo ou sinal positivo devido à ausência de uma carga negativa. Desta forma, a lacuna resultante irá aceitar rapidamente um elétron livre.

� Sendo assim, as impurezas dispersas com três elétrons de valência são chamadas átomos aceitadores.

� O material tipo P resultante é eletricamente neutro, pelas mesmas razões descritas para o material tipo N.

Fluxo de Elétrons e de Lacunas

� Se um elétron de valência adquire energia cinética suficiente para quebrar sua ligação covalente e

preencher o vazio criado por uma lacuna, então, na ligação covalente que liberou o elétron será criada uma lacuna, ou um buraco. Este é o efeito da lacuna na condução.

� Existe, portanto, uma transferência de lacunas para a esquerda, e de elétrons para a direita. A direção considerada é a do fluxo convencional, que está indicada pela direção do fluxo de lacunas ou de buracos.

Portadores Majoritários e Minoritários

� No estado intrínseco, o número de elétrons livres no germânio ou no silício é devido somente àqueles poucos elétrons na banda de valência que adquiriram suficiente energia das fontes externas, térmicas, luminosas ou outras quaisquer, para quebrarem a ligação covalente, ou para as poucas impurezas que não podem ser removidas. As lacunas deixadas para trás na estrutura de ligação covalente representam uma fonte muito limitada de buracos.

� Em um material tipo N, o número de buracos não mudou muito deste nível intrínseco. O resultado, então, é que o número de elétrons excede o número de buracos. Por isso pode-se dizer que:

� “Em um material tipo N o elétron é chamado de portador majoritário e a lacuna de portador minoritário”.

� Para o material tipo P, o número de lacunas excede o número de elétrons. Por isso pode-se dizer que:

� “Em um material tipo P a lacuna é chamada de portador majoritário e o elétron de portador minoritário”.

� Quando o quinto elétron de um átomo doador deixa o átomo de origem, este átomo adquire uma carga positiva líquida. Por conseqüência, o sinal positivo na representação do íon doador. Por motivos semelhantes, o sinal negativo aparece no íon aceitador.

� Os materiais tipo N e tipo P representam os blocos básicos de edificação dos sistemas semicondutores.

Diodo Semicondutor

� A partir dos semicondutores tipo N e tipo P, é possível construir diversos dispositivos, entre eles o diodo semicondutor, com aplicações extremamente importantes para o projeto de sistemas eletrônicos.

� O diodo semicondutor é constituído basicamente por uma junção PN, ou seja, pela união física de um material tipo P (cujos portadores majoritários são as lacunas) com um tipo N (cujos portadores majoritários são os elétrons).

� No momento em que ocorre a união, os elétrons e as lacunas na região de junção se combinam, resultando em uma ausência de portadores na região próxima à junção.

� Efetuando-se esta união, o excesso de elétrons do material tipo N tende a migrar para o material tipo P, visando tanto o equilíbrio eletrônico (equilíbrio das densidades de elétrons nos dois materiais), como a estabilidade química, pois cada átomo do material tipo N que perde um elétron fica com oito elétrons na sua camada de valência, o mesmo acontecendo com cada átomo do material tipo P que tem a sua lacuna ocupada por este elétron.

� Este fenômeno da ocupação de uma lacuna por um elétron é chamado de recombinação.

� Como o processo de recombinação ocorre inicialmente na região próxima à junção, acontece um fenômeno bastante interessante que é o da formação de uma camada ou zona de depleção.

� Depleção significa diminuição ou ausência e, neste caso, esta palavra corresponde á ausência de portadores majoritários na região próxima à junção PN.

� O surgimento dessa camada se dá na medida em que os átomos do material tipo P próximos à junção recebem os primeiros elétrons preenchendo suas lacunas. No lado N forma-se uma região de íons positivos (falta de elétrons) e, no lado P, uma região com íons negativos (excesso de elétrons), dificultando ainda mais a passagem de elétrons do material tipo N para o material tipo P.

� Assim, a partir de certo momento, este fluxo de elétrons cessa e esta região ionizada (camada de depleção) fica com ausência de elétrons e lacunas, que são os responsáveis pela corrente elétrica.

� Como a camada de depleção fica ionizada, cria-se uma diferença de potencial na junção chamada

de barreira de potencial, cujo símbolo é .

�

� Esta diferença de potencial , a 25°C é de aproximadamente 0,7 V para os diodos de silício e de 0,3 V para os diodos de germânio

�

� Cada lado do diodo semicondutor recebe um nome: o lado P chama-se anodo (A) e o lado N chama-se catodo (K).

� Na análise apresentada não se levou em consideração a quantidade de impurezas que cada material recebeu. Normalmente, é acrescentado cerca de um átomo de impureza para cada cem

mil átomos de semicondutor. Essa quantidade pode variar de dispositivo para outro e, num mesmo dispositivo, o lado N pode ter uma concentração de impurezas diferente em relação ao lado P.

Polarização da Junção PN

� Aplicando-se uma tensão nos terminais do diodo, a camada de depleção se modifica, alterando também as características da barreira de potencial. Estas modificações dependem do sentido da polarização do diodo.

Polarização Direta

� A polarização direta ocorre quando o potencial positivo da fonte é ligado no lado P e o potencial negativo da fonte ao lado N. A junção PN, ou seja, o diodo semicondutor fica polarizado diretamente.

Com , os elétrons do lado N ganham mais energia porque são repelidos pelo terminal

negativo da fonte, rompem a barreira de potencial e são atraídos para o lado P, atravessando, assim, a junção

� No lado P, eles recombinam-se com as lacunas, tornando-se elétrons de valência, mas continuam deslocando-se de lacuna em lacuna, pois são atraídos pelo terminal positivo da fonte, formando

uma corrente elétrica de alta intensidade ( ou ), fazendo com que o diodo semicondutor

se comporta como um condutor ou uma resistência direta muitíssima pequena.

Polarização Reversa

� A polarização reversa ocorre quando o potencial negativo da fonte é ligado no lado P e o potencial positivo da fonte ao lado N. Nestas condições a junção PN, ou seja, o diodo semicondutor se encontra reversamente polarizado.

� Por causa da polarização reversa, os elétrons do lado N são atraídos para o terminal positivo da fonte e as lacunas para o terminal negativo da fonte. Com isso, formam-se mais íons positivos no lado N e íons negativos no lado P, aumentando, assim, a camada de depleção e, conseqüentemente, a barreira de potencial.

� A barreira de potencial aumenta até que sua diferença de potencial se iguale à tensão da fonte de alimentação. Portanto, quanto maior a tensão da fonte, maior será a barreira de potencial. Desta forma, os portadores majoritários de cada lado do diodo (lacunas no lado P e elétrons no lado N) não circulam pelo circuito.

� Todavia, existe uma corrente muito pequena formada pelos portadores minoritários (elétrons no lado P e lacunas no lado N), muitos deles criados continuamente pela energia térmica a temperatura ambiente.

� Esta pequena corrente elétrica é chamada corrente reversa ( ) estando limitada aos portadores minoritários, ou seja, ela não aumenta proporcionalmente à tensão reversa aplicada ao diodo, sendo considerada desprezível na grande maioria dos casos. Assim, o diodo se comporta como se

fosse um circuito aberto ou uma resistência reversa altíssima.

� Assim, o diodo semicondutor é um dispositivo que conduz apenas quando estiver polarizado diretamente. Quando ele estiver polarizado reversamente ele deixa de conduzir.

� Este fato fez com que este dispositivo pudesse substituir a antiga válvula diodo, com a vantagem de dissipar menos potência e ter dimensões muito menores.

Princípio de Funcionamento

� A compreensão plena do funcionamento do diodo semicondutor está associada à análise gráfica de seu comportamento elétrico através da curva característica que mostra a variação da corrente em função da tensão aplicada aos terminais de um diodo.

� Princípio de Funcionamento

Obs.: Nos manuais dos fabricantes,

� Este gráfico sinaliza que para tensões negativas (polarização reversa) a corrente é praticamente

nula, caracterizando uma resistência elétrica muito alta, sendo esta tensão limitada por (tensão de ruptura ou breakdown voltage).

� Para tensões positivas (polarização direta), até a corrente é baixa, mas acima de ela passa a ser bastante alta, caracterizando uma resistência elétrica muito baixa, sendo esta corrente

elétrica limitada por ou .

� Esta curva também mostra que, como todo dispositivo elétrico e eletrônico, o diodo semicondutor tem determinadas características e limitações que se constituem nas especificações fornecidas pelos fabricantes e constantes das folhas de informações dos componentes (datasheet).

� Principais Especificações do Diodo Semicondutor

� Como a junção PN possui uma barreira de potencial natural ( ), na polarização direta só existe

corrente elétrica se a tensão aplicada ao diodo for:

�

� Na polarização direta, existe uma corrente máxima que o diodo pode conduzir ( ou

) e uma potência máxima de dissipação ( ou ), cuja relação é:

�

� Na polarização reversa, existe uma tensão reversa máxima que pode ser aplicada ao diodo

chamada tensão de ruptura ou breakdown voltage ( ).

� Na polarização reversa existe uma corrente muito pequena denominada corrente reversa ( ).

� Como exemplo, o diodo semicondutor tipo 1N4001 tem as seguintes especificações dadas pelo fabricante:

�

� Reta de Carga

� A conexão de um diodo a uma fonte de alimentação deve ser realizada sempre se utilizando um resistor limitador em série, para protegê-lo contra a corrente máxima, no qual o resistor limitador é

o próprio resistor de carga .

�

� Denomina-se ponto de trabalho ou ponto de operação ou ponto quiescente ( ) do diodo os

valores de tensão e de corrente aos quais ele está submetido num circuito.

� O ponto pode ser obtido através da curva característica do diodo, na qual traça-se uma reta de carga.

�

� Para traçar a reta de carga, devem-se realizar os seguintes passos:

1) Determina-se a tensão de corte [tensão no diodo quando ele estiver aberto ( )].

Determina-se a corrente de saturação [corrente no diodo quando ele estiver em curto (

)].

Traça-se a reta de carga sobre a curva característica do diodo.

O ponto quiescente ( e ) corresponde exatamente às coordenadas do ponto onde a reta de carga intercepta a curva característica do diodo.

5) Pode-se, também, calcular a potência de dissipação do diodo pela expressão:

Modelos de Diodos

� Idealmente, o diodo é um dispositivo que bloqueia toda a passagem de corrente elétrica num sentido e permite a passagem no outro sentido.

� Sempre que os valores de tensão presentes no circuito forem muito maiores que pode-se considerar o diodo como um elemento ideal.

� Porém, quando o valor de não for desprezível, é necessária a utilização de um modelo para o diodo, ou seja, a sua substituição por um circuito equivalente para que os cálculos relativos àquele circuito possam ser realizados com maior precisão.

� A vantagem em se utilizar um modelo está no fato de que este facilita os cálculos em circuitos mais

complexos, tornando-os mais simples do que o trabalho feito a partir da curva característica e da reta de carga.

Existem basicamente três modelos para o diodo, que devem ser utilizados de acordo com as características do circuito e da precisão desejada para os cálculos:

Modelo 1 – Diodo Ideal

� Este modelo considera o diodo comportando-se como um condutor na polarização direta e como um circuito aberto na polarização reversa, isto é, como uma chave ON-OFF (polarização direta – chave posição ON e polarização reversa – chave posição OFF).

Modelo 2 – Diodo com

� Este modelo considera o diodo comportando-se como um condutor em série com uma bateria de

valor na polarização direta e como um circuito aberto na polarização reversa.

Modelo 3 – Diodo com e (ou Modelo Linear)

� Este modelo é o mais próximo do real e considera o diodo comportando-se como um condutor em

série com uma bateria de valor e uma resistência correspondente à inclinação de sua curva característica na polarização direta e como um circuito aberto na polarização reversa.

Especificações dos Diodos

� Os fabricantes de dispositivos semicondutores, por meio de manuais (data book), catálogos ou Internet, fornecem diversas especificações dos diodos para operação em circuitos CC (ou DC) e CA (ou AC).

Diodos Comerciais

� Alguns tipos de diodos retificadores e de pequenos sinais encontrados comercialmente estão, bem como as suas principais características e especificações CC são vistos a seguir:

Circuitos Retificadores

Onda Senoidal

� A onda senoidal é o mais básico dos sinais elétricos. Ela é usada freqüentemente, por exemplo, para testar circuitos eletrônicos. Além disso, sinais complicados podem ser reduzidos a uma superposição de várias ondas senoidais. A idéia é a de rever, de uma forma sucinta, os valores de uma senóide necessários para a abordagem de circuitos contendo diodos.

Valor de Pico

� Observe a seguinte onda senoidal:

Valor de Pico

� Esta curva corresponde a um gráfico de:

�

� onde:

... tensão instantânea

... tensão de pico ou amplitude do sinal

... ângulo em graus ou radianos

� A tensão aumenta de zero até um máximo positivo de 90. Diminui para zero em 180, atinge um máximo negativo em 270 e volta a zero em 360.

� É possível elaborar uma tabela que apresente alguns valores instantâneos que é importante conhecer. Devido à simetria de uma onda senoidal, pode-se calcular, facilmente, os valores em 120, 150, 180, 210, etc.

� é o valor de pico de uma onda seno, ou seja, o valor máximo que ela atinge. A senóide tem um pico positivo em 90 e um pico negativo em 270.

Valor de Pico a Pico

� O valor pico a pico de qualquer sinal é a diferença entre o seu máximo e se mínimo algébrico:

�

� Para a senóide, o valor de pico a pico será:

�

� Em outras palavras, o valor de pico a pico de uma onda senoidal é o dobro do valor de pico. Dada uma senóide com um valor de pico de 18 V, o valor pico a pico será de 36 V.

Valor Eficaz (rms)

� Se uma tensão senoidal aparecer através de um resistor, ela produzirá uma corrente senoidal em fase através do resistor. O produto da tensão instantânea pela corrente dá a potência instantânea, cuja média durante um ciclo resulta numa dissipação média de potência. Em outras palavras, o resistor dissipa uma quantidade constante de calor, como se houvesse uma tensão CC através dele.

� O valor rms (raiz média quadrada, ou do inglês root mean square) de uma onda senoidal, também chamado valor eficaz ou valor de aquecimento, é definido como a tensão CC que produz a mesma

quantidade de calor que a onda senoidal. O valor eficaz é definido como sendo:

Tensão da Linha

� As companhias de energia elétrica geralmente fornecem uma tensão de linha de 127 Vrms ou 220 Vrms com uma tolerância de 5% e uma freqüência de 60 Hz. Através da definição de valor eficaz, pode-se escrever, para o primeiro caso: