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- Rui Camarinho Paixão
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1 TEÇÃO: O material a seguir é parte de uma das aulas da apostila de MÓDULO 2 que por sua vez, faz parte do CURSO de ELETRO LÓGIC -DIGITL que vai do MÓDULO 1 ao 4. partir da amostra da aula, terá uma idéia de onde o treinamento de eletroeletrônica poderá lhe levar. Você poderá adquirir o arquivo digital da apostila completa (16 aulas), ou ainda na forma impressa que será enviada por por correio. Entre na nova loja virtual CT Eletrônica e veja como: lém de ter a apostila e estuda-la, torne-se aluno e assim poderá tirar dúvidas de cada uma das questões dos blocos atrelados a cada uma das aulas da apostila, receber as respostas por , fazer parte do ranking de módulos e após a conclusão do módulo com prova final, participar do ranking geral e poder ser chamado por empresas do ramo de eletroeletrônica. Saiba mais como se tornar um aluno acessando nossa página de cursos:
2 UL 5 SEMICODUTORES - DIODOS Cristal do Tipo e Cristal do tipo Diodo semicondutor Circuitos elétricos com diodo Circuitos com diodos e resistores Exercícios propostos SEMICODUTORES través de combinações com outros materiais Os materiais semicondutores, como o próprio nome p o d e m o s m u d a r a s sugere são matérias cuja condutividade esta entre características do material os limiares dos condutores e dos isolantes. semicondutor (silício ou ossuem 4 elétrons na camada de valência, sendo germânio). Esse processo por esta razão o fato de serem semicondutores. é chamado de dopagem e Em 1874, Braun descobriu o efeito semicondutor acontece em uma parte em alguns sulfetos metálicos. Os primeiros em 10 milhões, porém, elementos estudados foram o sulfeto de chumbo e esta pequena parcela de o sulfeto de ferro. Em 1878 e 1879 David E. Hughes dopagem é suficiente para iniciou pesquisas no efeito semicondutor, a p r i n c í p i o c o m o curiosidade, pois foi percebido ao acaso pelo cientista. Embora Hughes não conhecesse o trabalho de James Clerk Maxwell, descobriu uma maneira de emitir ondas eletromagnéticas a partir de semicondutores. Em função de suas experiências figura 1a GERMÂIO L M = 2, L = 8, M = 18, = 4 figura 1b L M = 2, L = 8, M = 4 acabou por inventar o detector eletromagnético por mudar significativamente as características de um efeito semi-condutivo, o diodo. semicondutor, que de mau condutor passa a bom O átomo necessita de 8 elétrons na camada de condutor, além de poder ter um estado iônico valência para ser estável (gás nobre). essa positivo ou negativo chamado de cristal tipo condição, um átomo não tem qualquer ligação com (negativo) ou (positivo). outro átomo tanto de material igual como diferente (ligações simples e compostas). Quanto mais Cristal do tipo próximo de 8 elétrons na camada de valência (última camada) um átomo pode ter, mais isolante O nome cristal é derivado do desenho formado nas ele vai ser, ou seja, menor condutividade. Os l i g a ç õ e s c o v a l e n t e s e n t r e o s á t o m o s condutores tem em média 3 ou menos elétrons na semicondutores. a ligação covalente, um elétron camada de valência e os isolantes tem em média 6 de um átomo de germânio, por exemplo, combina elétrons. Os semicondutores não tem nem 3 com outro elétron de outro átomo de germânio, (condutores) e nem 6 (isolante) elétrons na camada formando uma ligação covalente. Esse par de de valência, mas sim 4 elétrons, o que explica o fato elétrons passa a figura 2 de serem semicondutores. pertencer aos dois átomos de germâ- DOGEM DE SEMICODUTORES nio ao mesmo tempo; então um áto- Dois tipos de semicondutores são largamente mo de germânio usados na eletrônica, são eles: silício e germânio. O combinará com germânio tem 32 elétrons na eletrosfera, sendo 4 na mais quatro átocamada de valência (figura 1a). Já o silício tem 14 mos de germânio elétrons na eletrosfera, sendo 4 na camada de formando quatro valência (figura 1b). ligações covalentes (figura 2) totalizando 8 elétrons IDUTORES-RETÂCI IDUTIV/CCITIV-TRSFORMDORES-FILTROS-SEMICODUTORES-DIODOS-ZEERS-TRSISTORES-MLIFICDORES DE SIL-MLIFICDORES,B,C 55
3 para cada átomo, atingindo assim a estabilidade. O arranjo espacial dos átomos forma uma estrutura cristalina tridimensional. figura 3 excedente das ligações de valência. lício ou Germâneo Os íons negativos do material tipo próximos a junção irão ficar neutros devido a perda do elétron excedente. or sua vez, o elétron deslocado irá neutralizar as lacunas próximas da junção do figura 5 Majoritária E Majoritário a figura 3, temos átomos de silício combinado com um átomo de fósforo. O fósforo é um átomo pentavalente (possuí 5 elétrons na camada de valência) e combinará com o silício que é tetravalente (4 elétrons na camada de valência). Dessa combinação teremos um elétron do fósforo que ficará fracamente ligado ao núcleo, pois os 4 elétrons de silício precisam de 4 elétrons do fósforo para atingir a estabilidade, e como o fósforo tem 5 elétrons, 1 estará fracamente ligado ao núcleo e neste estado, qualquer energia externa pode extrair este elétron. Ficou criado então um cristal do tipo. O átomo de fósforo nesta condição é chamado de átomo doador, pois pode doar elétrons. Um símbolo positivo será atribuído a este átomo, pois o mesmo perdeu um elétron, ficando ionizado positivamente. material tipo. Com isso, o restante dos elétrons livres e lacunas mais distantes da junção ficam isolados por esta barreira criada devido a neutralizar dos átomos próximos a junção, não havendo, portanto, fluxo corrente, o que aconteceu somente no momento da junção. LICÇÃO DE DD (DIFEREÇ DE OTECIL) O DIODO aplicação de uma d.d.p. nos Cristal do tipo terminais do diodo pode alargar ou estreitar a barreira Junção O cristal do tipo (positivo) é obtido da mesma criada pela junção dos maneira que o tipo e pode ser visto na figura 4. cristais, dependendo da diferença é que ao invés de colocar um material p o l a r i d a d e d a t e n s ã o pentavalente, colocaremos um material trivalente, aplicada (veja na figura 6, a resultando em uma lacuna na ligação covalente largura da barreira sem figura 6 devido a falta de 1 elétron para formar a potencial aplicado). estabilidade, onde um elétron livre é facilmente atraído por esta ligação. Um símbolo negativo vai olarização reversa ser atribuído ao átomo trivalente que neste caso é o Chamamos de polarização reversa (figura 7), a alumínio, pois a vinda de 1 elétron, criou uma aplicação de uma tensão ionização negativa neste átomo. positiva no material tipo e negativa no material tipo figura 4. Os efeitos disto será um aumento na barreira, Ge, falta do elétron para chamada também de formar a ligação de valência camada de carga espacial Ge l Ge (cce). Isso acontece lício ou Germâneo porque o potencial positivo aplicado ao material tipo figura 7 DIODO Ge Átomo de fósforo (impureza pentavalente) Átomo de lumínio (impureza trivalente) figura 5, mostra a união do cristal tipo com o tipo, dando origem ao componente chamado diodo. o momento da união haverá um fluxo dos elétrons livres do material tipo próximos a junção para as lacunas próximas a junção do material tipo. Íon positivo da impureza pentavalente íon negativo da impureza trivalente Camada de carga Espacial Campo elétrico originado pelos Íons ligados à rede cristalina extrair os elétrons livres, enquanto o potencial negativo neutraliza as lacunas do material tipo. O nível em que isto ocorre depende da tensão aplicada e quanto maior a tensão maior será a 56 IDUTORES-RETÂCI IDUTIV/CCITIV-TRSFORMDORES-FILTROS-SEMICODUTORES-DIODOS-ZEERS-TRSISTORES-MLIFICDORES DE SIL-MLIFICDORES,B,C CCE E Minoritário Junção Minoritária
4 barreira criada e vice-versa. poderá ultrapassar 0,8V). Uma das características É importante observar que neste caso, com um dos diodos é sua corrente direta, ou seja, a corrente aumento na barreira, não houve circulação de máxima que suportará em polarização, tendo o corrente do polo positivo ao negativo da bateria; o resistor (ou a carga), função importante nesta diodo comportou-se como uma chave aberta. limitação da corrente. a figura 10a, temos o símbolo do diodo. O terminal olarização direta próximo ao traço vertical é chamado de catodo () e gnifica aplicar uma tensão positiva no material o outro terminal de anodo (). O símbolo do diodo tipo e negativa no material tipo, resultando num sugere o sentido de corrente que deverá ser figura 8 estreitamento da barreira. O estabelecido para a polarização direta do diodo. Junção efeito disto é que o potencial Veja na figura 10b, o esquema simbólico do diodo negativo irá repelir os elétrons sendo ligado com polarização direta. polarização livres do material tipo, reversa é conseguida invertendo o diodo da mesma empurrando-os para a junção, figura. enquanto o potencial positivo faz o mesmo com as lacunas do material. a figura 8, temos o diodo sem polarização, onde podemos observar a largura da barreira. a figura 9, temos o efeito da polarização direta no diodo, onde vemos a diminuição da largura da barreira. partir de um determinado potencial (situado em torno de 0,6V para os diodos de silício e 0,2V para os de germânio), teremos o deslocamento dos figura 9 i Eint Eext i elétrons (fluxo) do material tipo para as lacunas do material tipo, devido ao estreitamento da barreira. Esse fluxo ou corrente não cessam, pois a d.d.p. aplicada se encarrega de Ir manter a barreira diminuta. É importante observar que a figura 11, temos um gráfico da polarização direta nesta configuração houve um fluxo de elétrons do polo negativo ao positivo da bateria; o diodo se comportou como uma chave fechada, e sobre ela criou-se apenas uma diferença de potencial de 0,6V (barreira direta do diodo). Obs: tensão de 0,6V na polarização direta, é necessária para a polarização do diodo e manterse-a independente da corrente circulante, pois o aumento da tensão aplicada significará pequeno aumento da tensão sobre o diodo. a verdade, deve existir alguma carga ou resistor em série com o diodo para que se possa limitar a corrente circulante por este diodo, visto que afirmamos que é uma chave fechada. ara que a barreira do diodo possa ser vencida e possa circular corrente na polarização direta, necessitaremos de pouco mais de 0,5V. Caso o fluxo de corrente aumente pelo diodo, haverá uma maior tensão sobre a barreira que poderá chegar a 0,65V ou até 0,75V (não figura 10a figura 10b I SETIDO DE CODUÇÃO DO DIODO = ODO = CTODO figura 11 Tensão de Ruptura (Break Down) Vd = tensão direta Id = corrente direta Vr = tensão reversa Ir = corrente reversa do diodo. linha mais grossa faz uma relação de tensão aplicada e corrente, sendo a coordenada horizontal a representação de tensão, enquanto a vertical representa a corrente no diodo. Do cruzamento das coordenadas a direita (polarização direta), vemos que até um certo deslocamento horizontal (tensão aplicada) da linha mais grossa, praticamente não há deslocamento vertical (corrente circulante). partir de um determinado potencial (média de 0,6V), teremos a subida vertical da linha, representando o aumento de corrente (polarização do diodo). Do cruzamento das coordenadas a esquerda temos a linha se deslocando horizontalmente sem subir (não há corrente), mas ao chegar em determinado nível de tensão reversa, haverá a quebra das ligações covalentes nos material tipo e, resultando em uma circulação de corrente (subida da linha). O nível de tensão reversa suficiente para promover tal processo depende de características específicas de cada diodos e normalmente é uma tensão muito mais alta do que a da polarização direta. ormalmente essa tensão máxima reversa, deverá ser maior do que a maior tensão aplicado ao diodo em determinado circuito. Obs: caso o diodo seja submetido a tensões IDUTORES-RETÂCI IDUTIV/CCITIV-TRSFORMDORES-FILTROS-SEMICODUTORES-DIODOS-ZEERS-TRSISTORES-MLIFICDORES DE SIL-MLIFICDORES,B,C Vr Id Vd 57
5 reversas maiores que ele pode suportar, poderá ocorrer o aquecimento do mesmo, provocado pela tensão reversa aplicada e corrente circulante, e com este aquecimento da junção, levando-o ao consequente curto total ou rompimento da junção. Características físicas dos diodos a figura 12, temos vários tipos de diodos encontrados no comércio de componentes eletrônicos. Sendo diodos de pequenas correntes diretas ou de grandes correntes. Temos ainda diodos que devem trabalhar com grande tensões reversas e pequenas correntes diretas. inda teremos diodos que deverão responder às variações de tensão de forma mais rápida ou lenta. figura 12 preso no terra (0V) e com isso, teremos uma tensão de 0,6V no seu anodo, resultante da soma de 0V + a queda do diodo 0,6V = 0,6V. odemos ver que está circulando uma corrente I pelo circuito, já que existe uma queda de tensão de 19,4V sobre o resistor ( - 0,6V). figura 14 olarização direta 0,6V ou 0,6V ou O diodo estará saturado quando sua seta apontar para uma tensão mais negativa em relação a tensão do anodo a figura 13b, o diodo está reversamente polarizado, e sendo assim, não há corrente circulante pela malha, comportando-se como chave aberta. Esta característica acontecerá com todos os diodos reversamente polarizados (desde que a tensão reversa não ultrapasse a tensão de ruptura). figura 15 olarização direta GERMÂIO 0,2V ou 0,2V ou 0,3V OTÊCI SE 1/ 04 CIRCUITOS ELÉTRICOS COM DIODOS Vamos começar a análise por circuitos elétricos apenas com diodos e resistores, trabalhando com tensões contínuas. Inicialmente analisaremos um circuito série com 1 diodo e 1 resistor. figura 13a figura 13b 0,6V I é importante diodo saturado V é importante diodo cortado s figuras 14 (diodo de silício) e 15 (diodo de germânio), ilustram o comportamento do diodo polarizado (em polarização direta chave fechada). Já a figura 16, ilustra o comportamento do diodo com uma tensão reversa. figura 16 + olarização reversa O diodo estará cortado quando sua seta apontar para uma tensão mais positiva em relação a tensão do anodo a figura 13a, temos um resistor ligado serialmente com um diodo. Sobre os dois componentes temos aplicada uma d.d.p de dc. O anodo do diodo está voltado para o resistor e este último ligado ao potencial positivo, ou seja, o diodo recebe uma polarização direta, pois o catodo do diodo está DIMESIOMETO DE CIRCUITOS COM DIODO E RESISTORES seguir, daremos vários exemplos de circuitos com resistores e diodos para mostrarmos os métodos de dimensionamento das tensões em circuitos série e também paralelo. Os métodos empregados para a associação de 58 IDUTORES-RETÂCI IDUTIV/CCITIV-TRSFORMDORES-FILTROS-SEMICODUTORES-DIODOS-ZEERS-TRSISTORES-MLIFICDORES DE SIL-MLIFICDORES,B,C
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