Eletrônica I. Prof. Cláudio Henrique A. Rodrigues

Transcrição

1 Eletrônica I 1

2 2

3 Qual o significado de um corpo eletricamentecarregado? A Carga Elétrica é positiva (+) ou negativa(-)? 3

4 Um corpo apresenta-se eletricamente neutro quando o número total de prótons e de elétrons está em equilíbrio na sua estrutura. Quando, por um processo qualquer, se consegue desequilibrar o número de prótons com o número de elétrons, dizemos que o corpo está eletrizado. O sinal desta carga dependerá da partícula que estiver em excesso ou em falta: -Seocorpopossuiumnúmerodeprótonsmaiorqueo de elétrons, o corpo está eletrizado positivamente, - se for o contrário, isto é, se haver um excesso de elétrons o corpo é dito eletrizado negativamente. 4

5 Como ocorre a corrente elétrica? Corpos polarizados: condutor ou isolante? 5

6 6

7 Corrente Elétrica I = V R I = corrente elétrica V = diferença de potencial elétrico R = resistência elétrica 7

8 Resistividade Elétrica L A ρ RA L ρ = resistividade A = área da secção L = comprimento 8

9 Condutividade Elétrica σ 1 ρ Metais σ 10 7 (Ωm) -1 Isolantes σ (Ωm) -1 Semicondutores 10-6 σ 10 4 (Ωm) -1 9

10 Em condutores, semicondutores e muitos isolantes, existe apenas corrente eletrônica. A condutividade depende do número de elétrons disponíveis. 10

11 11

12 Isolantes, Semicondutores e Metais Isolante é um condutor de eletricidade muito pobre; Metal é um excelente condutor de eletricidade; Semicondutor possui condutividade entre os dois extremos acima. 12

13 13

14 14

15 15

16 16

17 Estruturas da banda de energia em sólidos Um sólido pode ser considerado como um grande número de átomos, inicialmente separados, que se juntam para formar o material. À medida que os átomos se aproximam, os elétrons são perturbados pelos elétrons e núcleos dos átomos vizinhos. 17

18 A perturbação pode dividir cada estado atômico em um conjunto de estados eletrônicos muito próximos entre si que não existiam nos átomos isolados. Elétrons 2N elétrons 6N elétrons 2N elétrons 2N elétrons 1 átomo 2 átomos N átomos 18

19 Esse conjunto de estados eletrônicos é conhecido por banda de energia eletrônica. Banda de energia dos elétrons do nível 2s Banda de energia dos elétrons do nível 1s Estados permitidos em cada átomo 2s 1s Separação começa pelas camadas mais externas! Distância interatômica Podem existir bandas vazias e parcialmente preenchidas. O arranjo das bandas e a maneira como elas estão preenchidas determinam as propriedades físicas do material. 19

20 Banda de condução vazia { } Espaçamento entre as bandas Banda de condução vazia Banda de valência preenchida Banda de valência preenchida Semicondutores Isolantes 20

21 Banda de condução completa ou parcialmente cheia ou superposta Banda de condução vazia Banda de condução vazia Banda de valência completa Banda de valência completa Banda de valência completa Metais Semicondutores Isolantes 21

22 Semicondutores O material básico utilizado na construção de dispositivos eletrônicos semicondutores, em estado natural,nãoéumbomcondutor,nemumbomisolante. 22

23 Silício e o Germânio O silício e o germânio são muito utilizados na construção de dispositivos eletrônicos. O silício e o mais utilizado, devido as suas características serem melhores em comparação ao germânio e também por ser mais abundante na face da terra. 23

24 Temperatura, Luz e Impurezas Em comparação com os metais e os isolantes, as propriedades elétricas dos semicondutores são afetadas por variação de temperatura, exposição a luz e acréscimos de impurezas. 24

25 MODELOS ATÔMICOS DE BOHR O átomo - é constituído por partículas elementares, as mais importantes para o nosso estudo são os elétrons, os prótons e os nêutrons. Camada de Valência - A última camada eletrônica (nível energético) é chamada camada de valência. O silício e o germânio são átomos tetravalentes, pois possuem quatro elétrons na camada de valência. 25

26 26

27 Camada de Valência O silício e o germânio são átomos tetravalentes, pois possuem quatro elétrons na camada de valência. O potencial necessário para tornar livre qualquer um dos elétrons de valência é menor que o necessário para remover qualquer outro da estrutura. Os elétrons de valência podem absorver energia externa suficiente para se tornarem elétrons livres. 27

28 28

29 CorrenteemSemicondutores Em um semicondutor intrínseco, tanto elétrons quanto lacunas contribuem para o fluxo de corrente. Elétrons livres de sua posição fixa no reticulado: movem-se na banda de condução. Elétrons na banda de valência: movem-se ocupando posições disponíveis, preenchendo os vazios deixados pelos elétrons livres - Condução de lacunas migrando ao longo do material no sentido oposto ao movimento do elétron livre. 29

30 MATERIAIS EXTRÍNSECOS Dopagem - A adição de certos átomos estranhos aos átomos de silício ou germânio, chamados de átomos de impurezas, pode alterar a estrutura de camadas (bandas) de energia de forma suficiente para mudar as propriedades elétricas dos materiais intrínsecos. Material extrínseco - Um material semicondutor que tenha sido submetido a um processo de dopagem por impurezas é chamado de material extrínseco. Essesmateriaissãochamadosde:tipoNetipoP. 30

31 MATERIAL DOPADO TIPO N Um método de dopagem consiste na utilização de elementos contendo 5 elétrons na camada de valência (penta-valente), como o antimônio, arsênio e fósforo. O quinto elétron, porém, fica desassociado de qualquer ligação. Esse elétron pode tornar-se livre mais facilmente que qualquer outro, podendo nessas condições vagar pelo cristal. O material tipo N resultante, e eletricamente neutro. 31

32 MATERIAL DOPADO TIPO P O material tipo P é formado pela dopagem do semicondutor intrínseco por átomos trivalentes como o boro, gálio e índio. Há agora um número insuficiente de elétrons para completar as ligações covalentes. A falta dessa ligação é chamada de lacuna ou(buraco). Comoumalacuna podeser preenchida por umelétron, as impurezas trivalentes acrescentadas ao silício ou germânio intrínseco, são chamados de átomos aceitadores ou receptores. O material tipo P resultante é eletricamente neutro. 32

33 Semicondutores dopados ou extrínsecos Impurezas pentavalentes: antimônio, arsênico, fósforo à produzem semicondutores do tipo-n, por contribuírem com elétrons extras(impurezas doadoras). Impurezas trivalentes: bóro, alumínio, gálio à produzem semicondutores do tipo-p, por produzirem lacunas ou deficiência de elétrons(impurezas aceitadoras). N P 33

34 Estrutura de bandas de energia Banda de condução Banda proibida Elétrons livres Banda de condução Banda de Valência Lacunas Banda de Valência isolante semicondutor condutor 34

35 Propriedades Relevantes Permeabilidade magnética; Permissividade elétrica; Condutividade elétrica do meio. 35

36 Permeabilidade Magnética -μ A permeabilidade magnética é um indicativo da imantação do material, quando submetido àaçãodeumcampomagnético; Define se pode ou não ser imantada, nos outros meios μ = μ r μ 0 onde μ r é quantas vezes é maior em relaçãoaovácuoe μ 0 = 4 π H/m (Henry/metro), situação mais comumμ r =1. 36

37 Permissividade Elétrica ε 0 A permissividade elétrica é uma característica que depende de como cargas elétricas existentes dentro do material, em seus átomos e moléculas, distribuem-se na região, sob ação de um campo elétrico aplicado; No Sistema Internacional de Unidades, a permissividade no vácuo é: ε = ε r ε 0 onde ε r é a permissividade relativa, permissividade específica ou constante dielétrica. 37

38 Condutividade Elétrica -σ Também está relacionada de alguma forma à estrutura atômica das substâncias, seu valor indica maior ou menor facilidade de se estabelecer o deslocamento ordenado de cargas elétricas em um meio, sob atuação de um campo elétrico; Esse deslocamento ordenado de cargas no meio leva à chamada corrente de condução, dada pela taxa de variação da carga na região por unidade de tempo. 38

39 Um material classificado como dielétrico perfeito não apresentaria cargas elétricas livres e não permitiria o fluxo de corrente, independentemente do campo elétrico aplicado. Portanto, sua condutividade seria nula; Por outro lado, um condutor perfeito, eventualmente conhecido como hipercondutor, estaria localizado na situação oposta desta propriedade e apresentaria condutividade infinita. 39

40 Assim, os dielétricos reais têm baixíssima condutividade, da ordem de S/m a S/mcomonoquartzopuroounamicapura; Já os condutores reais, como o cobre, o alumínio ou a prata, apresentam condutividades de dezenas de Mega Siemens por metro. 40

41 Como o comportamento dos materiais é associado à frequência do campo aplicado, a classificação como condutor ou não-condutor deve incluir também o seu efeito; A justificativa pode ser dada a partir da análise do movimento das cargas no meio; Em frequências pequenas, o período do campo é muitograndecomparadocomotempogastoparao deslocamento das cargas. 41

42 Significa que essas cargas mudam rapidamente de posição quando se faz a comparação com o período do campo eletromagnético. O meio age como um condutor, significando um ambiente em que há facilidade para movimentação das partículas carregadas; Em frequências muito altas, o período do campo é muito pequeno e ele muda de valor antes que haja tempo suficiente para um deslocamento considerável das cargas. 42

43 Nula em Dielétricos Perfeitos e Infinita em Condutores Perfeitos, em resumo pode ser calculado por: (σ / ωε)>100 Meio condutor; (σ / ωε) < 0,01 Meio dielétrico; 0,01< (σ / ωε) <100 ou f 0 /100 < f < 100 f 0 Meio quase-condutor. 43