Eletrônica. Básica. Prof. Eng. Romeu Corradi Júnior

Transcrição

1 Eletrônica Básica Prof. Eng. omeu orradi Júnior

2 Eletrônica Dispositivo de estado sólido Eletrônica Básica Prof. Eng. omeu orradi Jr. 1. ntrodução Esta apostila tem o objetivo de proporcionar ao aluno um primeiro contato com os dispositivos semicondutores, como diodos e transistores. As informações aqui apresentadas serão utilizadas como introdução aos componentes semicondutores, cabendo ao aluno uma complementação em literaturas técnicas especificas. Os assuntos aqui abordados tem um caráter didático; na intenção de facilitar a compreensão de literaturas técnicas mais abrangentes, ajudando o aluno a se familiarizar com os termos técnicos e demais situações que envolve a eletrônica básica. Assim esta apostila irá ajuda-lo em seus estudos, mas você deverá reservar em casa um tempo para estudar os pontos aqui abordados e sempre complementando as informações apresentadas com livros de maior profundidade no assunto, e também resolver os exercícios propostos varias vezes de forma a garantir um bom aprendizado; lembre-se os assuntos a serem abordados requer estudo sistemático e dedicação na resolução de problemas, para que você obtenha boa compreensão dos circuitos estudados. Abaixo temos uma lista de possíveis literaturas técnicas que você poderá usar para se aprofundar mais nos assuntos, é importante que você tenha pelo menos um dos livros indicados. Malvino, Albert Paul Eletrônica ol. 1 Editora MAKON Books Boylestad Nashelsky Dispositivos Eletrônicos e Teoria de ircuitos Editora PHB Prentice/Hall do Brasil ipelli, Antonio Marco icari e Sandrini, Waldir João - Teoria e Desenvolvimento de Projeto de ircuitos Eletrônicos Editora Érica Marques, Angelo Eduardo B. / houeri Jr., Salomão / ruz, Eduardo esar Alves Dispositivos Semicondutores: Diodos e Transistores Editora Érica Outros livros sobre eletrônica básica poderão ser utilizados como livro texto para apoio, o importante é que você tenha pelo menos uma literatura técnica para aprofundar os seus conhecimentos.

3 2. Diodo ideal Diodos são dispositivos eletrônicos de dois terminais com a propriedade de permitir a passagem de corrente elétrica mais facilmente num sentido que em outro. Esta propriedade torna os diodos extremamente úteis em aplicações eletrônicas, como veremos adiante. Para facilitar a compreensão dos diodos, discutiremos primeiramente o conceito de diodo ideal O diodo ideal O conceito de diodo ideal pode ser mais claramente entendido se, primeiro, compararmos suas características com as de um resistor linear como mostrado na fig. 1. Tanto o resistor quanto o diodo são elementos de dois terminais. A característica - do resistor linear indica que ele obedece à lei de Ohm, qualquer que seja a polaridade da tensão aplicada. Daí podemos concluir que ele conduz igualmente nos dois sentidos. Um resistor é então chamado um elemento de circuito bilateral. Um diodo ideal, como veremos, é um dispositivo unilateral. sto é, ele conduz perfeitamente em um sentido mas não no outro, dependendo da polaridade da tensão aplicada. A representação esquemática de um diodo ideal está mostrada na fig. 2. Esta é também a representação de um diodo a estado sólido real, sendo portanto necessário indicar se está sendo considerado um diodo ideal ou real. Na maioria dos casos, entretanto, o diodo a estado sólido se aproxima tanto do diodo ideal que podemos considerá-los compatíveis. 2

4 elacionando a curva - da fig. 1 com a da fig. 2 concluímos que o diodo ideal tem a seguintes características. Se tentarmos polarizar positivamente o ânodo com relação ao cátodo, uma condição chamada polarização direta, o diodo apresenta resistência zero pis vemos que na curva -, 0 para qualquer que seja. A corrente é então limitada somente pelo circuito externo ao diodo. Este é chamado estado ON ou estado de polarização direta ou ainda estado de condução direta do diodo. Qualquer tensão no primeiro quadrante que tenda a tornar ON o diodo é então chamada tensão direta ( ) e a corrente correspondente é a corrente direta ( F ). nversamente, para um diodo ideal, F 0, sempre que uma corrente F é forçada a atravessá-lo como a proveniente de uma fonte de corrente. emos que um diodo ideal polarizado diretamente simula uma chave fechada. Se é uma quantidade negativa ( ânodo negativo com relação ao cátodo ), é chamada tensão reversa ( ) e é correspondentemente negativa e chamada corrente reversa ( ). Quando polarizado reversamente o diodo ideal é tornado OFF e ele simula uma chave aberta, desde que nenhuma corrente pode fluir no sentido inverso. Assim, 0 para todos os valores de ou -. O ponto no qual o diodo passa do estado ON para OFF e vice-versa é chamado ponto de quebra ou de corte. No ponto de quebra 0 e 0. O conceito do ponto de quebra é muito útil na análise de circuitos contendo vários diodos. esumindo: 1 Se a corrente ou a tensão aplicada ao diodo ideal tende a polarizar positivamente o ânodo com relação ao cátodo, o diodo torna-se polarizado diretamente ( ON ) e simula uma chave fechada com resistência zero e com queda de tensão zero. 2 Se a tensão aplicada ao diodo ideal tende a polarizar negativamente o ânodo com relação ao cátodo, o diodo torna-se polarizado reversamente ( OFF ) e simula uma chave aberta com resistência infinita e com corrente nula através dela. 3 No ponto de quebra, 0, 0 Primeira série de exercícios: Problemas Básicos 1. Determine E e no circuito abaixo. Admita como ideal o diodo. F 2. Determine E e na figura abaixo. Admita o diodo ideal. 3

5 Problemas com respostas ( admita diodos ideais ) 3. Determine e E na fig. abaixo. ESPOSTA 0, E 0 4. Esboce a forma de onda de. e O E AB 5. Determine no circuito abaixo. ESPOSTA E AB 12 olts 6. Esboce a característica olt-ampère vista pelos terminais do circuito mostrado na fig. abaixo. uide para que sejam observados os sentidos de referência apropriados. 4

6 7. omo você conectaria um diodo entre os terminais mostrados na fig. abaixo de modo que a corrente flua através da carga? L 8. Determine na fig. abaixo. 3. O diodo de junção a estado sólido Estudamos no item anterior o diodo ideal. Na prática não existe diodo ideal, mas felizmente suas característica são bem aproximadas por um diodo de junção a estado sólido, na maioria dos casos O diodo de junção A maioria dos diodos a junção são compostos primariamente do elemento silício, e em menor extensão, de germânio. Tanto o silício quanto o germânio são chamados semicondutores devido à resistência desses elementos estar situada entre a baixa resistividade dos condutores metálicos e a alta resistividade dos isoladores. Uma característica significante da estrutura atômica desses materiais é o fato deles possuírem quatro elétrons de valência. 5

7 ocê deve se lembrar que são os elétrons de valência que determinam basicamente as propriedades químicas e elétricas de um elemento. Agora, se esses elementos estiverem arranjados numa forma cristalina, os elétrons de valência nas camadas mais externas de um átomo qualquer, alinham-se com os elétrons de valência de átomos adjacentes para formar pares de elétrons, chamando-se a isso ligações covalentes. Essas ligações covalentes levam os átomos de silício e germânio a constituírem uma estrutura geométrica ordenada dentro do cristal. Para nossos objetivos o átomo isolado de silício ou germânio pode ser representado pela forma esquemática mostrada na fig. 3. ada linha deixando o núcleo, representa um elétron de valência. Fig.3 onsideraremos somente os quatros prótons necessários para balancear os quatro elétrons de valência, a fim de manter a neutralidade elétrica do átomo normal. A fig. 4 ilustra como cada átomo de silício ou germânio está ligado a cada átomo adjacente através de ligações covalentes ondução intrínseca Em uma amostra de semicondutor puro poucos elétrons estão disponíveis para a condução nas baixas e medias temperaturas, porque a maior parte dos elétrons está firmemente ligada através de ligações covalentes. A amostra de semicondutor apresentará portanto uma resistência relativamente alta. Se, entretanto a temperatura do cristal fosse aumentada, veríamos que a resistência ôhmica da amostra decresceria. Este coeficiente de temperatura negativo da resistência se deve ao fato de o aumento de temperatura implicar num acréscimo da energia cinética dos elétrons de valência. O acréscimo de energia permite que alguns dos elétrons de valência se libertem de suas ligações covalentes. Estes elétrons livres são então capazes de agir como portadores de corrente sob ação de um campo elétrico aplicado. O vão deixado pelos elétrons livres na ligação covalente é chamado buraco ou lacuna. Admitese que os buracos ou lacunas comportam-se como portadores de corrente adicionais carregados positivamente. Embora existam algumas diferenças significantes, podemos considerar o buraco ou a lacuna como sendo equivalente a um elétron com carga positiva, para a maior parte dos propósitos. Para melhor entender o conceito de buraco ou lacuna considere 6

8 a fig. 5 que ilustra um elétron e que foi arrancado de uma ligação covalente. Este elétron está agora livre para caminhar através do cristal se um campo elétrico é aplicado. O campo poderia ser estabelecido conectando-se uma fonte de voltagem aos terminais do cristal. Agora, o elétron constitui um portador de corrente considerado isoladamente. Note que onde a ligação covalente foi rompida surge um vão de elétron ou buraco. Se considerássemos que o elétron removido estava balanceado por uma carga igual e oposta devido aos núcleos circundantes, poderíamos admitir que este buraco tem uma carga igual e oposta à do elétron. sto parece razoável desde que a região estava eletricamente neutra antes da remoção do elétron. Este buraco atrairá então um elétron de uma das ligações covalentes dos átomos vizinhos e esse elétron deixará também um buraco na sua posição inicial. Um terceiro elétron irá completar o buraco deixado pelo segundo elétron e assim por diante. Se um campo elétrico é aplicado, os buracos, que se comportam como cargas positivas móveis, caminham para a extremidade positiva. O buraco é também um portador de corrente, e ao alcançar a extremidade negativa do cristal é neutralizado por um elétron vindo do fio que está ligado ao terminal negativo da fonte de voltagem. Assim, vemos que a ruptura de uma ligação covalente produz não somente um mas dois portadores de corrente. Deve ser notado que os buracos não fluem para o circuito externo mas somente no interior do semicondutor. Este tipo de condução, envolvendo a geração de pares elétron-buraco ou elétron-lacuna, é chamada condução intrínseca. Mais tarde veremos que a presença de pares elétron-lacuna é usualmente indesejável, e que desejamos somente elétrons ou somente buracos ou lacunas. Devemos também notar que temos tomado muita liberdade a fim de simplificar a física dos semicondutores envolvida. Entretanto, a apresentação é de suficiente profundidade para dar uma boa idéia intuitiva para a compreensão dos diodos e transistores. A condutividade do silício ou germânio aumentará à medida que o número de portadores de corrente crescer. nversamente ela decrescerá à medida que o número de portadores decresce. Podemos, portanto, controlar a condutividade pela disrupção de ligações covalentes, mas isto é indesejável por duas razões. Primeiro, nossa fonte de controle deve fornecer uma grande quantidade de energia para quebrar uma ligação covalente. Segundo, portadores de corrente de ambos os tipos ( buracos e elétrons ) são gerados em iguais quantidades. Outros meios foram pesquisados para controlar a condutividade em semicondutores; descobriu-se que a adição de certas impurezas reduziam esses efeitos indesejáveis Semicondutores dopados Para ver como a adição de certos átomos de impurezas afeta a condutividade de um semicondutor, considere a adição de uma pequena quantidade de arsênio a uma fornada de silício puro em fusão. A fig. 6 é a representação de um átomo de arsênio, que possui cinco elétrons de valência. Quando esse silício em fusão se solidifica num cristal, os átomos de arsênio estarão uniformemente dispersos através de estrutura cristalina. omo existem muitos átomos de silício comparados aos de arsênio, virtualmente cada átomo de arsênio estará circundando por átomos de silício. sto está ilustrado na fig. 7. Mas o arsênio tem cinco elétrons de valência enquanto o silício ou germânio tem quatro. 7

9 Assim, no cristal, quatro dos cinco elétrons de valência participarão das ligações covalentes com os átomos circundantes de silício ( ou germânio ). sto, entretanto, deixa um quinto elétron de valência do arsênio, fracamente ligado e sem lugar particular para ir. Se este elétron abandonar o átomo de arsênio original devido a agitação térmica ou outras causas quaisquer, permanece no local um íon arsênio positivamente carregado, que está rigidamente ligado à estrutura cristalina. sto deve acontecer devido à região estar eletricamente neutra antes da perda do elétron. Desde que esse quinto elétron de valência do arsênio está fracamente ligado ao átomo correspondente, ele requer uma quantidade de energia bastante pequena para tornar-se livre e disponível para a condução sob ação de um campo elétrico. Muito importante é notar que esse elétron não veio do rompimento de uma ligação covalente. sto significa que nenhum buraco foi deixado para trás. Um buraco, você deve estar lembrando, é uma falta de um elétron numa ligação covalente. Portanto, pela adição de impureza pentavalente ( cinco elétrons de valência ) superamos as duas objeções associadas à variação da condutividade obtida pelo controle de produção de pares elétrons-lacunas. Outras impurezas pentavalentes, tais como fósforo ou antimônio, podem também ser usadas para formar peças de silício ou germânio com abundância de elétrons fracamente ligados. Esses semicondutores enriquecidos de elétrons são conhecidos como tipo N, e as impurezas pentavalentes são chamadas átomos doadores ou impurezas doadoras. O processo de adição de átomos de impurezas ao semicondutor puro é chamado dopagem. É também possível produzir semicondutores tipo P, os quais são ricos em lacunas, pela adição de pequenas quantidades de impureza trivalentes ( três elétrons de valência ) ao semicondutor em fusão. mpurezas trivalentes ( átomos aceitadores ) são índio, alumínio e gálio. A fig. 8 ilustra uma representação esquemática de um átomo de impureza trivalente. A fig. 9 ilustra o efeito de uma impureza trivalente dentro da estrutura cristalina. Note que agora temos uma ligação covalente incompleta na qual falta um elétron. sto está de acordo com nossa definição anterior de buraco ou lacuna. Neste caso o buraco é o único portador de corrente, pois não há presença de elétrons fracamente ligados. 8

10 Aqui encontramos uma abundância de cargas livres positivas e o material é então chamado silício ou germânio tipo P. Note que, nesta figura, o átomo de impureza torna-se um íon negativo tão logo um elétron de uma das ligações covalentes alcance o buraco. Esse buraco original é então neutralizado mas um outro buraco aparece, exatamente no lugar de onde o elétron neutralizante veio. Se pequenas, mas iguais, quantidades de impurezas tipos P e N fossem misturadas ao semicondutor em fusão, teríamos um cristal de comportamento muito próximo ao do semicondutor puro. A razão disto é que os elétrons da impureza tipo N preenchem os buracos da impureza tipo P. Na realidade nenhum espécime prático é somente tipo P ou tipo N, mas a adição controlada de impurezas ( dopagem ) causa a predominância de um ou outro tipo. Mais energia é necessária para romper uma ligação covalente no silício que no germânio. sto significa que, numa dada temperatura, O Si puro tem menos portadores de corrente disponíveis que o Ge. Embora a resistividade do Si puro seja mais elevada, o que pode representar desvantagem em alguns casos, o efeito total da temperatura sobre os transistores de Si será menor que sobre o Ge. Por esta razão os transistores de Si são usualmente preferidos. Elétrons numa região N ou buracos numa região P são, por razões óbvias, chamados portadores majoritários, enquanto que elétrons na região P ou buracos na região N são chamados portadores minoritários. Devido à ruptura das ligações covalentes nenhum material semicondutor é puramente N ou P. Ao invés disso, contém ambos os portadores: majoritários e minoritários. Os portadores majoritários estão continuamente se recombinando com os portadores minoritários, neutralizando-os. Os portadores minoritários não se acabam, entretanto, pois estão sempre sendo recriados pela energia térmica. Nem os portadores majoritários se esgotam, pois a geração térmica de um portador minoritário é sempre acompanhada pela geração simultânea de um portador majoritário. nfelizmente a geração térmica dos portadores minoritários varia com a temperatura de uma forma exponencial. sto torna os materiais semicondutores altamente sensíveis à temperatura, com o efeito sendo mais severo no germânio que no silício A junção PN As várias técnicas de fabricação de diodos e transistores têm pelo menos um objetivo comum, e este é produzir um cristal no qual exista uma ou mais junções PN. As propriedades da junção PN tornam possíveis a retificação e a ação do transistor. Se um cristal de semicondutor é preparado de modo que exista uma fatia de material tipo P adjacente a uma fatia tipo N, a interface entre os dois é conhecida como junção PN. Esta situação está ilustrada na fig

11 Se dois terminais forem ligados a esta estrutura temos um diodo a junção que está ilustrado esquematicamente sobre o cristal. Note que o ânodo ( base da flecha ) corresponde ao material P enquanto o cátodo corresponde ao material N. Memorize esta figura pois será útil mais tarde. Para entender as propriedades da junção PN considere a fig. 11. Para fins de ilustração, admita que, no instante zero, nós, de alguma forma, formemos um cristal no qual há uma interface entre uma região tipo P e uma região tipo N. Esta interface é uma junção PN. Os círculos com sinais ( - ) na região P representam os íons fixos negativos da impureza. Estes íons são negativamente carregados porque eles capturaram elétrons para preencher os buracos introduzidos pelos átomos aceitadores ( tipo P ). Os sinais ( + ) representam os buracos livres caminhando através da região P. Analogamente, os círculos com sinais ( + ) na região N representam os íons fixos positivos das impurezas doadoras que perderam seus elétrons fracamente ligados. Tanto a região P quanto a região N são eletricamente neutras, pois existem tantos buracos livres quantos íons negativos na região P e tantos elétrons livres quantos íons positivos na região N. Admita que a junção PN já foi formada, que a temperatura seja constante, e que nenhuma voltagem foi aplicada ao cristal. O lado P está carregado com buracos livres e íons fixos negativos, enquanto que no lado N existem elétrons livres e íons fixos positivos abundantes. omo a concentração de buracos no lado P é muito maior que no lado N, os buracos difundirão na região N. O mecanismo da difusão é semelhante à distribuição de moléculas de tinta num copo de água, após uma gota de tinta Ter sido introduzida. As moléculas de tinta tentam distribuir-se uniformemente. Em termos técnicos dizemos que existe um gradiente de concentração de buracos da região P para N. Analogamente existe um gradiente de concentração de elétrons da região N para P e resulta na difusão de elétrons através da junção. À primeira vista, pareceria que elétrons e buracos manteriam a difusão através da junção e recombinariam uns com os outros até que nenhum portador permanecesse ou até que uma ou outra espécie de carga permanecesse. Não é, entretanto, este o caso. Para cada buraco que cruza a junção de P para N, fica um íon fixo negativo não neutralizado de cada lado da junção são chamados cargas espaciais, e o campo elétrico entre eles pode ser convenientemente representado por uma bateria colocada através da junção como mostrada na fig

12 Esta barreira de potencial interna tende a restringir a difusão de buracos do lado P para o lado N e os elétrons do lado N para o lado P. A barreira de potencial interna força também os portadores minoritários, isto é elétrons do lado P e buracos do lado N, a cruzar a junção. A região adjacente e de cada lado da junção é, portanto, relativamente livre de buracos e elétrons. Esta região essencialmente livre de cargas é chamada região de depleção. A largura da região de depleção depende da maneira pela qual o cristal é preparado. A largura da região de depleção do lado P não é, necessariamente, a mesma que do lado N. O lado feito de material de resistividade mais elevada ( menos átomos de impureza ) terá uma região de depleção mais larga. Os buracos que cruzam da região P para a região N recombinam com os elétrons no lado N. Analogamente, elétrons da região N recombinam com buracos do lado P. Este fluxo de elétrons de N para P e de buracos de P para N constitui uma corrente de recombinação através da junção. Esta corrente de recombinação não permanece, no entanto, em um valor constante. Ela cai a valores extremamente baixos devido ao processo de recombinação manter cargas descobertas nas proximidades de junção. Os íons negativos descobertos no lado P começam a repelir os elétrons do lado N enquanto a parede de íons descobertos positivos no lado N repele os buracos do lado P. A bateria na fig. 12 representa, portanto, a barreira de potencial formada pelas cargas descobertas, as quais inibem a corrente de recombinação. Assim, parece que uma condição de equilíbrio é estabelecida entre o potencial de difusão do gradiente de concentração e a barreira de cargas descobertas. Se a agitação térmica fornecesse às cargas móveis a mesma energia cinética, esta simples explicação para as condições de equilíbrio seria suficiente. No entanto, a energia térmica fornecida aos portadores móveis de carga está distribuída aleatoriamente. Estatisticamente falando, alguns buracos e elétrons possuem uma pequena quantidade de energia cinética enquanto outros possuem uma grande quantidade. Alguns dos portadores de alta energia serão capazes de vez por outra, vencer a barreira de potencial. Se esta fosse a única ação, pareceria que a altura da barreira de potencial continuaria crescendo, num esforço de compensar os portadores de alta energia que conseguiriam vencê-la. Finalmente, poderíamos esperar que o último dos portadores de carga a cruzar a barreira deixaria uma barreira de potencial bastante alta. Embora incompleto, este é um quadro melhorado das condições da junção. Algo que desprezamos é que nenhum material é perfeitamente P ou N. O material P terá alguns elétrons livres, surgidos pela ruptura de ligações covalentes por agitação térmica. O buraco que é produzido não é diferente de qualquer outro buraco do lado P, onde os buracos são os portadores majoritários. O elétron no material P constitui um portador minoritário e terá um tempo médio ( chamado tempo de vida ) antes de recombinar com um dos numerosos buracos disponíveis. O tempo de vida de um portador minoritário depende, claramente, do número de portadores majoritários circundantes, os quais, por vez, são determinados pelo número de átomos de impurezas introduzido no cristal. Se este elétron na região P tem vida suficientemente longa para caminhar até as vizinhanças da junção, ele ficará sob influencia do campo elétrico lá existente. O sentido do campo é tal que o elétron será forçado a cruzar a região de depleção ( região contendo as cargas descobertas ) pois ele é atraído pelos íons descobertos no lado N. Outra forma de visualizar, isto é, de imaginar a bateria de barreira na fig. 12, forçando elétrons do lado P para o lado N. 11

13 Por razões análogas vemos que um buraco gerado termicamente no material N constitui um portador minoritário que será forçado a cruzar a região de depleção do lado N para o lado P. O fluxo de portadores minoritários através da junção é ajudado pela barreira de potencial. Temos agora um quadro completo como mostrado na fig. 13, abaixo. Sem voltagem externa aplicada, as condições reais de equilíbrio são, como segue. Existe uma corrente global de recombinação r através da junção a qual consiste de buracos rp ultrapassando a barreira do lado P para N e elétrons rn que atravessam a barreira no sentido oposto. omo um buraco indo da esquerda para a direita é equivalente a um elétron indo da direita para a esquerda, as duas componentes da corrente de recombinação são aditivas, e podemos escrever: + r rp rn Ao mesmo tempo a ruptura de ligações covalentes causa a formação de uma corrente global gerada termicamente g devido aos portadores minoritários que são forçados a cruzar a barreira. Esta corrente gerada termicamente terá também duas componentes, uma componente de buracos gp, que flui da região N para P, e uma componente de elétrons gn, que flui da região P para N. Portanto: + g gp gn A corrente s g gerada termicamente depende somente da temperatura e é, muita vezes chamada, corrente de saturação. Sob as condições de equilíbrio os portadores que cruzam a junção devido a compensam aqueles devido a, a qual tem componentes fluindo nos g g sentidos opostos aos de. O resultado final é que a corrente total na junção é zero, o que deve ser verdade pois se curto-circuitarmos a junção PN com um pedaço de fio, nenhuma corrente circula pelo fio. A altura da barreira terá um potencial de valor tal que permita a corrente de recombinação igualar-se exatamente à corrente gerada termicamente. A representação esquemática de um diodo a junção está novamente mostrado na fig. 14. omo mostrado, o ânodo consiste de um material P e o cátodo consiste de um material N. r 12

14 A fig. 14 também indica alguns sentidos de referência para voltagem e corrente. Note que representa a voltagem no ânodo em relação ao cátodo, e representa a corrente ( fluxo de elétrons ) entrando pelo cátodo e saindo pelo ânodo. Deve ser entendido que, embora elétrons e buracos fluam no interior do semicondutor, a corrente externa representa o sentido de referência admitido como positivo do fluxo de corrente Polarização direta Se uma fonte de voltagem é aplicada ao diodo como mostrado na fig. 15, diz-se que o diodo está polarizado diretamente. Note que quando polarizado diretamente, é uma quantidade positiva, o que significa que o material P é mantido num potencial positivo em relação ao material N. A voltagem externa forma um campo elétrico através da junção o qual opõe à barreira de potencial, portanto, reduz seu efeito. onsequentemente, a corrente de recombinação ( majoritária ) aumenta. ntuitivamente podemos ver que a voltagem tenderá a empurrar os buracos do lado P para o lado N e elétrons do lado N para o lado P, o que aumenta grandemente a corrente através da junção. De fato, é necessário ou manter bastante pequeno ou inserir um resistor limitador de corrente em série com a fonte de voltagem para manter a corrente no diodo num valor razoável. Entretanto a corrente gerada termicamente é virtualmente não afetada pois esta corrente depende, pelo menos em teoria, somente da temperatura e não da voltagem aplicada. Uma relação teórica entre a corrente no diodo e a voltagem aplicada externamente é : 13

15 1) - η. T 1 S Nesta equação S é a corrente de fuga gerada termicamente, às vezes chamada corrente de saturação. A voltagem representa a voltagem do material P em relação ao material N e pode ser um a quantidade positiva ou negativa, dependendo da polaridade da voltagem aplicada. Se é uma quantidade positiva, ele é normalmente chamada voltagem direta,. Se é uma quantidade negativa, ela é normalmente chamada voltagem reversa,. orrespondentemente, a corrente, no sentido referência mostrado, pode ser uma quantida de positiva ou negativa, dependendo da polaridade da voltagem aplicada. Se acorrente é uma quantidade positiva, ela é normalmente chamada corrente direta F, correspondendo à condição de aplicação de uma voltagem direta F. De outro lado se é uma quantidade negativa ela é chamada normalmente corrente reversa, correspondendo à condição na qual é uma quan tidade negativa ou uma voltagem reversa. A quantidade T tem dimensão de olts e é dada por: F T ) - volts T T é a temperatura em graus Kelvin e está relacionada com a temperatura em graus elsius por: 3 ) - T T Kelvin elsius 4 ) - η número entre 1 e 2 A quantidade η é uma constante relativa geralmente tomada como 1 para o germânio. Para silício, η pode variar de aproximadamente 2 nas baixas correntes, digamos menos de 0,2 ma, até aproximadamente 1 para correntes diretas maiores que 0,2 ma. Na temperatura ambiente, 27º, 26 m. emos então que a equação 1) com η admitido 1 e para 100 m, T S T. Por razão análoga, S se é uma quantidade negativa ( polarização reversa ) além de 100 m. A inclinação da característica corrente-direta versus coltagem-direta representa a condutância ( ac ) do diodo quando ele está diretamente polarizado. O valor teórico desta condutância g pode ser determinada por: f 5) - g f η. T O reciproco da condutância direta é a resistência direta. Portanto a resistência dinâmica direta é : 14

16 6) - r f η. T A corrente é a corrente estática ( dc ) através do diodo. A equação 6) - indica que, para um valor admitido de η 1, um diodo polarizado diretamente apresentará uma resistência dinâmica de 26 Ohms para uma corrente direta de 1 ma e 2,6 Ohms par 10 ma. O valor real da resistência dinâmica direta será sempre algo mais elevado que o valor teórico devido ao efeito da resistência dos terminais e do volume do material que aparecem em série com. A fig. 16 ilustra uma característica direta de um diodo de silício de baixa potência. r f A corrente direta está plotada para três valores diferentes de temperatura. Evidentemente, à medida que a temperatura aumenta, a voltagem direta decresce. Especificamente, se a corrente do diodo for mantida constante, a voltagem direta cairá tipicamente a uma razão de 2 a 3 m para cada º de aumento da temperatura. Matematicamente isto é expresso por: d T /º dt 7) - 2,5 m Note que este coeficiente de temperatura é negativo, o que implica num decréscimo da voltagem direta com um aumento da temperatura. Na prática este coeficiente de temperatura tende a se tornar menos negativo à medida que a corrente direta aumenta e para níveis de corrente elevados pode atingir valores levemente positivos. 15

17 3-6. Polarização reversa Se, como mostrado na fig. 17, é uma quantidade negativa, de modo que o material P é mantido negativo com relação ao material N, o diodo é dito estar reversamente polarizado. Quando reversamente polarizado, o campo elétrico estabelecido por é de polaridade tal que se soma à barreira de potencial interna. onsequentemente, a corrente de recombinação, que consiste de buracos indo de P para N e elétrons indo de N para P, é drasticamente reduzida. A corrente externa é uma quantidade negativa devido ao fluxo de portadores gerados termicamente através da junção. dealmente, o diodo não exibiria corrente reversa alguma e assim esta pequena corrente reversa gerada termicamente é comumente referida como corrente de fuga. Na prática, a corrente de fuga consiste realmente de duas componentes, a componente gerada termicamente, que independe da magnitude da polarização reversa ( depende somente da temperatura ), e uma componente devido aos efeitos de perdas na superfície, que se manifestam onde a junção termina, nas extremidades do cristal. ; S A componente de corrente de fuga devido aos efeitos de superfície é sensível à voltagem, de modo que a corrente de fuga aumenta na prática com o aumento da polarização reversa. sto está ilustrado na fig. 18. Note que S mostrada em linha tracejada é um valor pequeno e constante que variaria com a temperatura, mas não com a polarização reversa. 16

18 A corrente reversa real, devido aos efeitos de perdas na superfície, exibe uma componente ôhmica de resistência através da junção, desde que um aumento na polarização reversa causa um aumento na corrente reversa. omo regra pode-se admitir que a componente gerada termicamente, aproximadamente dobra a cada aumento de 10º na temperatura. Quando uma junção PN está reversamente polarizada, a maior parte da tensão reversa aplicada externamente aparece sobre a região de depleção, pois é a região de cargas livres que apresenta a mais alta resistência do circuito. Em outras palavras, a queda de tensão através da região de depleção será, em geral, quase igual à voltagem total aplicada. A região de depleção é bastante estreita, sendo tipicamente da ordem de 0,0001 in ( polegadas ), ou menor. Então uma pequena voltagem reversa, digamos 6 olts, desenvolveria um campo elétrico de intensidade olts/in. Esta alta intensidade de campo pode causar a ruptura da junção. Quando a junção rompe, sua impedância cai consideravelmente devido à geração de muitos portadores adicionais de corrente por uma ionização e/ou fenômeno de emissão secundária. ( ver mais detalhes no anexo 1 ). Diodos convenientemente projetados para serem usados na região de ruptura são comumente denominados diodos zener ou de avalancha. Outro termo às vezes usado para estes diodos é diodo regulador. Este termo provém do fato de, na ruptura ( note fig. 17 ), a voltagem reversa ser mantida neste exemplo, num valor substancialmente constante de 20 olts. Se a dissipação de potência do diodo é limitada em um valor seguro, então a operação na região de ruptura não é destrutiva. A voltagem de ruptura, que pode ser de 3 olts até varias centenas de olts é determinada pelo processo de fabricação. Estes diodos serão estudas mais adiante em um item exclusivo a ele. A voltagem reversa de ruptura BD ( BD Breakdown )é algo dependente da temperatura. Para diodos cuja ruptura é cerca de 5olts ou menos BD apresenta um coeficiente de temperatura negativo. sto é, BD decresce com o aumento da temperatura. De outro lado, diodos que exibem um BD de cerca de 6 olts ou mais, tendem a apresentar um coeficiente positivo de temperatura. sto é, BD aumenta com o aumento da temperatura. 17

19 Na faixa entre 5 e 6 olts, é possível encontrar diodos que apresentam um coeficiente de temperatura quase nulo, o que os torna altamente vantajosos como fontes de referência de voltagem, veremos estas aplicações no estudo especifico do diodos zener num próximo item. Segunda série de exercícios Questionário 1. Porque o semicondutor na sua forma pura não tem utilidade na eletrônica? 2. O que é buraco e/ou lacuna? 3. Que influência o semicondutor sofre com a intensidade de dopagem? 4. Qual a influência da temperatura nos semicondutores? 5. Que características apresenta um diodo a junção? 6. O que é barreira de potencial? 7. Defina: a) Polarização direta; b) Polarização reversa. 8. O que é corrente direta e tensão reversa? 9. omo devemos testar um diodo a junção utilizando um Ohmimetro? 10. omo sabemos que um diodo está em curto e/ou aberto? esponda: 1. Quais são os portadores majoritários na região N? 2. omo é controlada a corrente de recombinação num diodo? 3. O que acontece com a largura da região de depleção quando a voltagem reversa é variada? 4. omo está a resistência direta de um diodo, relacionada com a corrente direta? Assuma T 27º. 5. A uma corrente direta de 12 ma e a 25º, a queda de voltagem estática (dc) através de um diodo é 0,31. Se a corrente direta fosse mantida constante, mas a temperatura aumentasse para 50º, qual seria a nova voltagem direta? 6. Determine E na fig. abaixo. 7. Determine o coeficiente médio de temperatura para uma faixa de 50º a 100º para um diodo polarizado, tendo as característica mostradas na fig. abaixo. Assuma que a corrente direta é mantida constante em 20 ma. 18

20 8. Determine o ponto Q para um diodo tendo as característica diretas da fig. abaixo, quando é usado no circuito dado abaixo. 19

21 9. omo você mediria a componente da corrente reversa de um diodo, gerada termicamente? 10. Se o diodo no circuito da fig. abaixo tem a característica mostrada na mesma figura, determine e a 25º. 4. ircuitos equivalentes do diodo omo os diodos e dispositivos derivados do diodo são comumente encontrados em circuitos eletrônicos, torna-se bastante útil desenvolver um circuito equivalente ao diodo prático. omo veremos, o diodo prático pode ser representado em termos do diodo ideal Modelos discretos de diodos Uma forma de desenvolver um circuito equivalente para o diodo é usar a técnica de modelação por partes ou modelações discretas. Essencialmente ela consiste na partição de qualquer trecho não linear da curva característica, em um número de segmentos retos, que aproximarão a curva para qualquer grau desejado. Um circuito equivalente, baseado nos diodos ideais, pode então ser desenvolvido. Quanto maior o número de segmentos retos, mais complicado se torna o circuito equivalente. Para ilustrar o desenvolvimento de um modelo discreto de um diodo, considere a curva - de um diodo mostrado na fig. 19 a qual está baseada nos sentidos de referência para voltagem e corrente mostrado na fig. 20. A voltagem é referida como a voltagem do cátodo ( terminal K ) para o ânodo ( terminal A ) e a corrente tem o sentido positivo de ânodo para cátodo, através do diodo. Para diodos de silício ( que são os mais comumente usados ) a curva - da fig. 19 pode ser aproximada pelos segmentos de reta ( trechos lineares ) da fig. 21. Um circuito equivalente ( modelo discreto ) que levaria a esta característica - está mostrada na fig. 22. Os diodos na fig. 22 são diodos ideais e este modelo a dois diodos ideais tem característica aproximada à do diodo real da fig. 19. Para checar a validade deste modelo discreto devemos notar que para grande e negativo ( suponha uma fonte de voltagem conectada entre os terminais de entrada ) D1 está, seguramente reversamente polarizado (OFF) e D2 está diretamente polarizado (ON). omo estes diodos são ideais, eles simulam, respectivamente, chaves aberta e fechada. 20

22 BD Portanto, para < o ponto de operação está na região 1 e é uma quantidade negativa. A inclinação do segmento na região 1 é determinada pela resistência incremental vista quando se olha pelos terminais do modelo na fig. 22, com D1 OFF e D2 ON. laramente esta é r Z. Portanto, na região 1 a inclinação é Δ / Δ 1 /. r Z Façamos BD. Neste ponto a característica - da fig. 21 mostra uma descontinuidade abrupta chamada ponto de quebra e, neste ponto de quebra, D2 passa de ON para OFF e cessa de fluir. O ponto de operação entra agora na região 2. om ambos os diodos OFF a impedância vista, quando se olha pelos terminais de entrada do modelo, é infinita. A condutância é, portanto, zero e a inclinação da característica - na região 2 é zero, desde que nenhuma variação de corrente pode ocorrer devido a uma variação de voltagem. Quando a voltagem aplicada tornar-se positiva a, o diodo D1 torna-se ON e o ponto de operação entra na região 3. 21

23 ' / r F e a impedância de entrada na região 3 é r F. A inclinação da curva - é portanto 1/ r F. No te que r F como usado no modelo não é o mesmo que rf T / 26m / ( a 27º ). Na aproximação linear, r F é algum valor médio, para o qual se aproxima a curva do diodo para uma larga faixa de voltagem, enquanto r F, derivada da equação do diodo, é a resistência dinâmica num ponto de operação particular. As quantidades com índices maiúsculos serão geralmente associadas com o modelo discreto. A corrente é agora uma quantidade positiva dada por ( ) Embora o modelo de diodo a semicondutor da fig. 22 seja geralmente adequado para a maioria dos casos e problemas, existem situações em que a curva - de um diodo requer melhor aproximação principalmente na característica reversa; porem estes modelos são mais complexos e fogem do escopo desta apostila. ( em livros para o terceiro grau o aluno poderá encontrar tais modelos ). Exemplo Desenvolver um modelo discreto para a característica do diodo da fig. abaixo. Solução: A fig. abaixo ilustra o modelo discreto. Ele conterá no mínimo dois diodos ideais já que existem dois pontos de quebra na característica -. Para menor ( mais negativa ) que 400, o ponto de operação está na região zener e D1 está ON. O diodo D2 está OFF. Portanto, BD 400 e r Z, como determinado pela inclinação da curva é r Z Δ Δ x 10 Ω 22

24 Para maior que 400 olts mas, menor que 0,8 olts ( -400 < < 0,8 ) D1 e D2 estão OFF de modo que a resistência reversa nesta região é infinita. Para mais positiva que 0,8 olts, D2 torna-se ON. Da inclinação da curva nesta região nós obtemos: r Z Δ 1,6 0,8 4 Ω 3 Δ 200 x10 Assim nosso circuito equivalente fica: 5. Aplicação dos diodos de junção PN Os circuitos eletrônicos de forma geral necessitam de uma alimentação dc para poder trabalhar corretamente. omo a tensão que recebemos em nossas residências e industrias é alternada, a primeira coisa a ser feita em qualquer equipamento eletrônico é converter a tensão ac em tensão dc. Neste item iremos discutir a retificação, trata-se de circuitos que realizam a conversão de uma tensão ac para uma tensão dc. eremos também filtros com capacitores de entrada Tensão de corrente alternada ( onda senoidal ) A onda senoidal é o mais básico dos sinais elétricos; ela é usada muitas vezes para testar circuitos eletrônicos. Além disso, sinais complicados podem ser reduzidos a uma superposição de varias ondas senoidais. Neste item iremos verificar rapidamente as características básicas de uma onda senoidal, de forma que possamos compreender melhor o funcionamento dos circuitos retificadores ( conversores estáticos ). Em outra disciplina você terá maiores detalhes da tensão de corrente alternada. 5-2 orrente Alternada ( valores e formas de representação ) Observe a figura abaixo: 23

25 Observação: O segmento OA é denominado de vetor girante ( fasor ), ω é a velocidade ou freqüência angular, φ é o angulo por unidade de tempo; assim temos: φ ϖ φ t ϖ.t Onde: φ em radianos ( rad. ) e t tempo em segundos ( s ) Período ( T ) tempo que o vetor OA ( fasor ) leva para completar um volta. Logo: φ φ 2. π ϖ.t rad., t 2. π T ϖ.t ou ϖ 2. π T Freqüência ( f ) número de voltas completados em um segundo, podemos afirmar então: T 1 1 f Assim ϖ 2. π 1 ϖ f f 2. π. f 1 T então : 24

26 Da trigonometria podemos tirar : sen φ b v ( t ) b v ( t ). sen φ b trata-se de um valor em um determinado instante de tempo, portanto podemos expressar a onda senoidal em forma de uma função dada pela equação: v t. sen. t max ( ϖ + ϕ ) onde ϕ é um angulo de fase inicial. Observe a expressão abaixo ( 377 )[ ] v t 179,61.sen.t Então você é capaz de dizer que sinal é este, onde podemos encontra-lo? 25

27 5-3. epresentação Fasorial Observe: ( 30º ) v t 10 sen ϖ t + Da trigonometria podemos escrever: x y x y max max 8,66 5 cos 30 º sen 30 º epresentações: Forma trigonométrica: max cosϕ0 + jmax senϕ0 F orma polar: ϕ. max. 0 Forma algébrica ou retangular:. x ± j y Assim podemos escrever a equação 10 sen( t + 30º ) v t ϖ, de duas formas, observe: Polar : 10 30º [] ; etangular : 8,66 + j 5 [] 5-4. Outros valores importantes alor de pico a pico O valor de pico a pico de qualquer sinal é a diferença entre o seu máximo e o mínimo algébrico: 26

28 pp max min. Assim para uma senoide, o valor de pico a pico é 2p. 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 15, o valor de pico a pico será de 36. alor eficaz ( MS ) 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 dc através dele. O valor rms ( raiz media quadrática, do inglês root mean square ) de uma onda senoidal, também chamado valor eficaz ou valor de aquecimento, é definido como a tensão dc que produz a mesma quantidade de calor que a onda senoidal. Os cursos básicos mostram que 0, 707 rms p Podemos provar estas relação experimentalmente construindo dois circuitos: um com uma fonte dc seguida de um resistor e um outro com uma fonte senoidal ligada a um resistor de mesmo valor. Se a fonte dc for ajustada para produzir a mesma quantidade de calor que a onda senoidal, mediremos uma tensão dc igual a 0,707 vezes o valor de pico da onda senoidal. ( uma outra forma de se provar que rms 0, 707 p é através de matemática avançada ). alor médio O valor médio de uma onda senoidal ao longo de um ciclo é zero. sto porque a onda senoidal é simétrica: cada valor positivo da primeira metade do ciclo é compensado por um valor igual negativo da Segunda metade do ciclo. Portanto, se você somar todos os valores da onda seno entre 0º e 360º, terá zero como resultado, o que implica um valor médio zero. Em outras palavras, um voltímetro dc indicará zero se usado para medir uma onda senoidal. Por que? Porque o ponteiro de um voltímetro dc tenta flutuar positiva e negativamente com amplitudes iguais, porém a inércia das partes móveis o impede de fazê-lo, então ele indica um valor médio igual a zero. ( isto supõe uma freqüência maior do que aproximadamente 10 Hz, de modo que o ponteiro não possa acompanhar variações rápidas. ) 5. O transformador A alimentação dos equipamentos eletrônicos residenciais ou industriais vem da linha de energia fornecidas pelas companhias concessionárias e estas linhas são perigosas devido a sua resistência Thevenin aproximar-se de zero. sto que dizer que ela pode fornecer centenas de ampères. Mesmo com um disjuntor no circuito, ela ainda pode liberar dezenas de ampères, dependendo das dimensões do circuito disjuntor. Abaixador de tensão Alguns equipamentos eletrônicos ( a grande maioria ), incluem um transformador como o da fig., abaixo para abaixar ou elevar a tensão da linha, conforme exigir a aplicação. As tensão de um transformador estão relacionados da seguinte forma: N N S P S P P S 27

29 Onde: N N S tensão do secundário ; tensão do primário; S P S P P número de espiras do secundário ; nùmero de espiras do primário; corrente do secundário ; corrente do primário Um exemplo: Suponha que para o circuito acima a relação de espiras seja de 9:1, então S 1 S ,11 rms 9 Esta tensão mais baixa é um pouco mais segura para se trabalhar do que os 127 rms, e é um valor típico exigido por alguns circuitos de semicondutores. Além disso, o transformador isola a carga ( todos os circuitos que você está medindo ) da rede. sto quer dizer que a única ligação com a rede de alimentação é através do campo magnético que põe em comunicação os enrolamentos do primário e do secundário. sto reduz ainda mais os perigos de um choque elétrico porque não existe mais um contato elétrico direto com os dois lados da rede. Fusível Para um transformador ideal, temos as seguintes relações: N S N P P S 28

30 ocê pode usar esta equação para calcular os valores do fusível. Por exemplo, se a corrente de carga for de 1,5 A rms e a razão de espiras de 9:1, então 1 P P 9 1,5 1,5 9 0,166 A rms sto que dizer que o fusível deve Ter um valor maior que 0,166 A, mais 10% no caso da tensão de linha ser alta, mais aproximadamente outros 10 % para perdas no transformador ( essas perdas produzem corrente adicional no primário ). O valor de fusível padrão imediatamente superior, 0,25 A ( de fusão lenta no caso de oscilações da rede ), provavelmente seria satisfatório. A finalidade do fusível é de evitar dano excessivo no caso da resistência da carga ser posta em curto acidentalmente. Obs.: ocê irá ter mais informações sobre transformadores em outra disciplina; para compreendermos o funcionamento básico dos retificadores a informação aqui oferecida é suficiente. 6. Aplicação dos diodos em circuitos retificadores 6-1. etificadores estáticos No item 5 comentamos que vários circuitos eletrônicos necessitam de uma alimentação dc e estes equipamentos são ligados as linhas de alimentação. omo os sinais transmitidos por estas linhas são ac é necessário convertermos este tipo de tensão em uma tensão dc. Portanto, o processo de conversão de um sinal ac em uma tensão dc é conhecido como retificação. Os retificadores são então circuitos eletrônicos que fazem esta conversão, os retificadores básicos são: A) etificador de meia onda; B) etificador de onda completa com transformador com derivação central; ) etificador de onda completa em ponte. eremos agora cada um deles analisando o seu funcionamento, características elétricas, métodos de projeto e topologia etificador de Meia Onda Observe o circuito abaixo: 29

31 Devemos observar que o circuito acima converteu a tensão ac de entrada em uma tensão dc pulsante. Podemos concluir que a tensão na carga é sempre positiva ou zero. Tensão média na carga Denominado de tensão dc pois é o valor medido por um voltímetro e é dado por: dc 0,318. P ou P dc. π omo é obtido este valor? Solução matemática: médio médio médio 1 T2 vdt T T1 P 2π P π 1 2π π ( senϕ ) P dϕ ( ) π P cosπ cos0 ] ( 1 1) [ 0 0 2π ( ) P.2 2π 30

32 Especificações de corrente e tensão para o diodo: F M L max S ( pico) Onde: é a corrente direta do diodo e é a tensão F M reversa máxima repetitiva que o diodo pode suportar. Exercício de aplicação: 1- O transformador da fig. abaixo tem uma tensão do secundário de 30 ac. Qual a tensão de pico através da resistência de carga? A tensão média? A corrente média através da resistência de carga? 2- Abaixo temos as especificações de alguns diodos em termos de corrente direta: a) 1N ma; b) 1N ma; c) 1N A; d) 1N A. Se a tensão do secundário for de 120 ac no circuito anterior, qual o tipo de diodo dado acima que pode ser usado? 3- Abaixo temos as especificações de alguns diodos em termos de tensão reversa: a) 1N ; b) 1N ; c) 1N ; d) 1N Dada uma tensão do secundário de 60 ac no circuito do exercício 1, qual a rrm através do diodo? Qual dos diodos anteriores pode ser usado? 6-3. etificador de onda completa com transformador com tomada central Observe o circuito abaixo: 31