5. Componentes electrónicos

Transcrição

1 Sumário: Constituição atómica da matéria Semicondutores Díodos Transístores LEI FÍSICA 1 Constituição da matéria: A matéria pode ser encontrada no estado sólido, líquido ou gasoso. Toda a matéria é constituída por moléculas e estas podem ainda ser subdivididas em partículas menores que são os átomos. 1 molécula de água 2 átomos de hidrogénio 1 átomo de oxigénio H 2 O H 2 O LEI FÍSICA 2 1

2 Estrutura do átomo: O átomo é formado por três tipos de partículas: electrões, protões e neutrões. Órbita electrónica Os protões e os neutrões estão localizados no núcleo do átomo e os electrões giram em órbitas electrónicas àvolta do núcleo. LEI FÍSICA 3 Carga eléctrica das partículas: A carga eléctrica do electrão é igual à carga eléctrica do protão, porém de sinal contrário: o electrão possui carga eléctrica negativa (-) e o protão possui carga eléctrica positiva (). O neutrão não possui carga eléctrica, isto é a sua carga é eléctrica é nula. LEI FÍSICA 4 2

3 Órbitas electrónicas: Num átomo, os electrões que giram em volta do núcleo distribuem-se em várias órbitas ou camadas electrónicas num total máximo de sete (K, L, M, N, O, P, Q). LEI FÍSICA 5 Carga eléctrica do átomo: Em qualquer átomo, o número de protões contidos no seu núcleo é igual ao número de electrões que giram à volta dele, ou seja, a carga eléctrica do átomo é nula, pois a carga eléctrica positiva dos protões é anulada pela carga eléctrica negativa dos electrões. Um átomo neste estado diz-se que está electricamente neutro. LEI FÍSICA 6 3

4 Iões positivos e iões negativos: Um átomo quando electricamente neutro poderá ganhar (receber) ou perder (ceder) electrões. Quando ele ganha um ou mais electrões, dizemos que se transforma num ião negativo. Quando um átomo perde um ou mais electrões, dizemos que ele se transforma num ião positivo. Exemplo: Se o átomo de sódio (Na) ceder um electrão ao átomo de cloro (Cl) passamos a ter um ião positivo de sódio e um ião negativo de cloro. Ião negativo de cloro Ião positivo de sódio Cl - Na LEI FÍSICA 7 Electrões de valência: A órbita electrónica ou camada mais afastada do núcleo é a camada de valência e os electrões dessa camada são chamados de electrões de valência. Num átomo, o número máximo de electrões de valência é de oito. Electrão de valência Quando um átomo tem oito electrões de valência diz-se que o átomo tem estabilidade química ou molecular. LEI FÍSICA 8 4

5 Condutores: Os átomos com 1, 2 ou 3 electrões de valência têm uma certa facilidade em cedê-los já que a sua camada de valência está muito incompleta (para estar completa deveria ter 8 electrões de valência). Por exemplo, um átomo de cobre tem um electrão de valência o que faz com que ele ceda com muita facilidade esse electrão (electrão livre). 29P K L M N Número atómico do cobre = 29 (número total de electrões no átomo) K=2 L=8 M=18 N=1 LEI FÍSICA 9 Isoladores: Os átomos que têm entre 5 e 8 electrões de valência não cedem facilmente electrões já que a sua camada de valência está quase completa (para estar completa deveria ter 8 electrões de valência). O vidro, a mica, a borracha estão neste caso. Estes materiais não são condutores da corrente eléctrica porque não têm electrões livres sendo necessário aplicar-lhes uma grande energia para passar os electrões de banda de valência para a banda de condução. LEI FÍSICA 10 5

6 Semicondutores: Número atómico do Germânio: 32 Número atómico do Silício: 14 Os átomos com 4 electrões de valência geralmente não ganham nem perdem electrões, é o que acontece com os materiais semicondutores, Germânio (Ge) e Silício (Si). LEI FÍSICA 11 Bandas de energia: Energia Num material isolante é necessário aplicar muita energia (por exemplo, muita tensão eléctrica) para passar os electrões da banda de valência para a banda de condução já que a banda proibida é muito larga. Os materiais semicondutores estão numa situação intermédia entre os materiais isoladores e condutores. Pelo contrário, num material condutor a passagem dos electrões da banda de valência para a banda de condução faz-se facilmente já que não existe banda proibida. LEI FÍSICA 12 6

7 Estrutura cristalina dos semicondutores: Quando os átomos se unem para formarem as moléculas de uma substância, a distribuição e disposição desses átomos pode ser ordenada e organizada e designa-se por estrutura cristalina. O Germânio e o Silício possuem uma estrutura cristalina cúbica. Átomo de silício LEI FÍSICA 13 Ligação covalente: Nessa estrutura cristalina, cada átomo (representado por Si) une-se a outros quatro átomos vizinhos, por meio de ligações covalentes, e cada um dos quatro electrões de valência de um átomo é compartilhado com um electrão do átomo vizinho, de modo que dois átomos adjacentes compartilham os dois electrões. LEI FÍSICA 14 7

8 Ligação covalente: Na prática, a estrutura cristalina ilustrada na figura só é conseguida quando o cristal de silício é submetido à temperatura de zero graus absolutos (ou -273ºC). Nessa temperatura, todas as ligações covalentes estão completas os átomos têm oito electrões de valência o que faz com que o átomo tenha estabilidade química e molecular, logo não há electrões livres e, consequentemente o material comportase como um isolante. LEI FÍSICA 15 Semicondutor intrínseco: Um semicondutor intrínseco é um semicondutor no estado puro. À temperatura de zero graus absolutos (-273ºC) comporta-se como um isolante, mas à temperatura ambiente (20ºC) já se torna um condutor porque o calor fornece a energia térmica necessária para que alguns dos electrões de valência deixem a ligação covalente (deixando no seu lugar uma lacuna) passando a existir alguns electrões livres no semicondutor. LEI FÍSICA 16 8

9 Semicondutor extrínseco: Há diversas formas de se provocar o aparecimento de pares electrão - lacuna livres no interior de um cristal semicondutor. Um deles é através da energia térmica (ou calor). Outra maneira, consiste em fazer com que um feixe de luz incida sobre o material semicondutor. Na prática, contudo, necessitamos de um cristal semicondutor em que o número de electrões livres seja bem superior ao número de lacunas, ou de um cristal onde o número de lacunas seja bem superior ao número de electrões livres. LEI FÍSICA 17 Processo de dopagem: Quando são adicionadas impurezas a um semicondutor puro (intrínseco), este passa a ser um semicondutor extrínseco. As impurezas usadas na dopagem de um semicondutor intrínseco podem ser de dois tipos: impurezas ou átomos dadores e impurezas ou átomos aceitadores. Átomos dadores têm cinco electrões de valência (são pentavalentes): Arsénio (AS), Fósforo (P) ou Antimónio (Sb). Átomos aceitadores têm três electrões de valência (são trivalentes): Índio (In), Gálio (Ga), Boro (B) ou Alumínio (Al). LEI FÍSICA 18 9

10 Semicondutor do tipo N: A introdução de átomos pentavalentes (como o Arsénio) num semicondutor puro (intrínseco) faz com que apareçam electrões livres no seu interior. Electrão livre do Arsénio Como esses átomos fornecem (doam) electrões ao cristal semicondutor eles recebem o nome de impurezas dadoras ou átomos dadores. Todo o cristal de Silício ou Germânio, dopado com impurezas dadoras é designado por semicondutor do tipo N (N de negativo, referindo-se à carga do electrão). LEI FÍSICA 19 Semicondutor do tipo P: A introdução de átomos trivalentes (como o Índio) num semicondutor puro (intrínseco) faz com que apareçam lacunas livres no seu interior. Como esses átomos recebem (ou aceitam) electrões eles são denominados impurezas aceitadoras ou átomos aceitadores. Todo o cristal puro de Silício ou Germânio, dopado com impurezas aceitadoras é designado por semicondutor do tipo P (P de positivo, referindo-se à falta da carga negativa do electrão). LEI FÍSICA 20 10

11 Portadores maioritários e minoritários: Num semicondutor extrínseco do tipo N os electrões estão em maioria designando-se por portadores maioritários da corrente eléctrica. As lacunas (que são a ausência de um electrão), por sua vez, estão em minoria e designam-se por portadores minoritários da corrente eléctrica. Num semicondutor extrínseco do tipo P as lacunas estão em maioria designandose por portadores maioritários da corrente eléctrica. Os electrões, por sua vez, estão em minoria e designam-se por portadores minoritários da corrente eléctrica. LEI FÍSICA 21 Movimento dos electrões e das lacunas nos semicondutores do tipo N: Num cristal semicondutor tipo N o fluxo de electrões será muito mais intenso que o fluxo de lacunas porque o número de electrões livres (portadores maioritários) é muito maior que o número de lacunas (portadores minoritários). Electrões Electrões LEI FÍSICA 22 11

12 Movimento dos electrões e das lacunas nos semicondutores do tipo N: Electrões Electrões A lacuna comporta-se como se fosse uma partícula semelhante ao electrão, porém com carga eléctrica positiva. Isto significa que, quando o semicondutor é submetido a uma diferença de potencial, a lacuna pode mover-se do mesmo modo que o electrão, mas em sentido contrário, uma vez que possui carga eléctrica contrária. Enquanto os electrões livres se deslocam em direcção ao pólo positivo do gerador, as lacunas deslocam-se em direcção ao pólo negativo. LEI FÍSICA 23 Movimento dos electrões e das lacunas nos semicondutores do tipo P: Num cristal semicondutor tipo P o fluxo de lacunas será muito mais intenso (sete larga) que o fluxo de electrões (sete estreita) porque o número de lacunas livres (portadores maioritários) é muito maior que o número de electrões livres (portadores minoritários). Electrões Electrões LEI FÍSICA 24 12

13 Díodo rectificador - constituição: Um díodo rectificador é constituído por uma junção PN de material semicondutor (silício ou germânio) e por dois terminais, o Ânodo (A) e o Cátodo (K). Símbolo: LEI FÍSICA 25 Díodo rectificador junção PN: A junção de um material semicondutor do tipo P (com excesso de lacunas) com um material semicondutor do tipo N (com excesso de electrões livres) origina uma junção PN. Na zona da junção, os electrões livres do semicondutor N recombinam-se com as lacunas do semicondutor P formando uma zona sem portadores de carga eléctrica que se designa por zona neutra ou zona de deplecção. Electrões livres Zona neutra ou zona de deplecção Lacunas LEI FÍSICA 26 13

14 Díodo rectificador identificação visual dos terminais: O terminal que se encontra mais próximo do anel é o cátodo (K). O terminal ligado à parte mais estreita/afunilada é o cátodo (K). O terminal ligado à parte roscada é o cátodo (K). LEI FÍSICA 27 Díodo rectificador díodo polarizado directamente: O díodo rectificador é um componente unidireccional ou seja, só conduz num sentido (quando o Ânodo está a um potencial positivo em relação ao Cátodo). Nessa situação diz-se que o díodo está polarizado directamente. A K V CC _ LEI FÍSICA 28 14

15 Díodo rectificador díodo polarizado inversamente: Quando o díodo rectificador está polarizado inversamente (Ânodo a um potencial negativo em relação ao cátodo) não conduz (está ao corte). K A V CC _ LEI FÍSICA 29 Díodo rectificador princípio de funcionamento: Quando polarizado directamente um díodo rectificador conduz porque na junção PN a zona neutra ou zona de deplecção (zona sem portadores de carga eléctrica) estreita a resistência eléctrica diminui e a corrente eléctrica passa. Electrões livres Lacunas Zona neutra ou zona de deplecção estreita LEI FÍSICA 30 15

16 Díodo rectificador princípio de funcionamento: Quando polarizado inversamente um díodo rectificador não conduz porque na junção PN a zona neutra ou zona de deplecção (zona sem portadores de carga eléctrica) alarga a resistência eléctrica aumenta significativamente e a corrente eléctrica não passa. Electrões livres Lacunas Zona neutra ou zona de deplecção estreita LEI FÍSICA 31 Díodo rectificador queda de tensão interna: Quando o díodo está polarizado directamente a corrente eléctrica ao passar pela zona neutra ou zona de deplecção que apresenta uma certa resistência, origina uma queda de tensão (U=RxI). Nos díodos de silício essa queda de tensão interna pode variar entre 0,6Volt e 1Volt. Nos díodos de germânio essa queda de tensão interna pode variar entre 0,2Volt e 0,4Volt. LEI FÍSICA 32 16

17 Díodo rectificador características técnicas: I F 1ºquadrante Tensão directa Corrente directa U F I F 3ºquadrante Tensão inversa Corrente inversa U R I R U R U F I R LEI FÍSICA 33 Díodo rectificador leitura das características técnicas: Exemplo: Díodo rectificador: 1N4007 U R = 1000V Tensão inversa máxima que se pode aplicar ao díodo em polarização inversa. I F = 1A Corrente directa máxima permanente que pode circular pelo díodo. I R = 5μA Corrente inversa que percorre o díodo quando polarizado inversamente V F = 1,1V Queda de tensão interna máxima quando o díodo polarizado directamente conduz uma corrente directa de 1A. LEI FÍSICA 34 17

18 Díodo rectificador curva característica: I F Pode-se observar na curva característica do 1º quadrante (díodo polarizado directamente) que à medida que se aumenta a tensão directa (U F ) a Tensão de ruptura U R Corrente de fuga Corrente directa UF corrente directa (I F ) também aumenta. Na curva do 3º quadrante (díodo polarizado inversamente) podemos observar que para uma dada faixa da tensão inversa (UR) a corrente inversa Corrente de avalanche (IR) é desprezível (corrente de fuga). A tensão inversa não pode atingir a tensão de ruptura pois isso acarreta que o díodo passe a conduzir em I R sentido contrário (rompeu a junção PN). LEI FÍSICA 35 Díodo rectificador recta de carga: V CC _ V F _ IF _ R C V RC V V V = 0 CC F R C V V R I = 0 CC F C F V = V R I CC F C F Equação relaciona a tensão directa (V F ) com a corrente directa (I F ). Esta equação permite determinar os dois pontos da recta de carga, que sobreposta à curva característica do díodo, determinará o ponto de funcionamento (Q) do díodo. LEI FÍSICA 36 18

19 Díodo rectificador recta de carga: Este é um método gráfico que permite que encontremos o ponto de funcionamento do díodo. É de notar que a recta de carga depende do circuito (V CC e R C ) em que o díodo está inserido, enquanto que a curva característica é fornecida pelo fabricante. Corrente de saturação I F Ponto de funcionamento (Q) VCC = VF RC IF Tensão de corte: I FQ I = 0 V = V F CC F V FQ V F Tensão de corte Corrente de corte: V V = = F CC 0 IF RC LEI FÍSICA 37 Díodo rectificador exemplo da determinação do ponto de funcionamento (Q) de um díodo: I I F F V CC =3V _ R C =750Ω 2, VCC = VF RC IF ,1 V F Tensão de corte: Corrente de corte: I = 0 V = V V = 3V F CC F F VCC 3 VF = 0 IF = IF = = 4mA R 750 C Para as condições do circuito (VCC=3Volt e RC=750Ω) e a curva característica representada, a corrente directa no díodo será de IFQ 2,5mA e a tensão directa será de VFQ=1,1V. LEI FÍSICA 38 19

20 Transístor Bipolar O termo Transístor resulta da aglutinação dos termos ingleses TRANsfer resistor (resistência de transferência). O termo bipolar refere-se ao facto dos portadores electrões e lacunas participarem no processo do fluxo de corrente. LEI FÍSICA 39 Transístor Bipolar: constituição Um transístor bipolar (com polaridade NPN ou PNP) é constituído por duas junções PN (junção base - emissor e junção base - colector) de material semicondutor (silício ou germânio) e por três terminais designados por Emissor (E), Base (B) e Colector (C). N Material semicondutor com excesso de electrões livres P Material semicondutor com excesso de lacunas Altamente dopado Camada mais fina e menos dopada Menos dopado que o Emissor e mais dopado que a Base Altamente dopado Camada mais fina e menos dopada Menos dopado que o Emissor e mais dopado que a Base LEI FÍSICA 40 20

21 Transístor Bipolar: junções PN internas e símbolos Junção PN base -emissor Junção PN base -colector Junção PN base -emissor Junção PN base -colector LEI FÍSICA 41 Transístor Bipolar: princípio de funcionamento Para que o transístor bipolar conduza é necessário que seja aplicada na Base uma corrente mínima (V BE 0,7 V), caso contrário não haverá passagem de corrente entre o Emissor e o Colector. I B = 0 O transístor não conduz (está ao corte) Se aplicarmos uma pequena corrente na base o transístor conduz e pode amplificar a corrente que passa do emissor para o colector. Uma pequena corrente entre a base e o emissor origina uma grande corrente entre o emissor e o colector LEI FÍSICA 42 21

22 Transístor Bipolar: utilização O transístor bipolar pode ser utilizado: como interruptor electrónico; na amplificação de sinais; como oscilador. LEI FÍSICA 43 Transístor Bipolar: polarização Para o transístor bipolar poder ser utilizado com interruptor, como amplificador ou como oscilador tem que estar devidamente polarizado através de uma fonte de tensão DC. Quanto à polarização dos transístores a tensão da fonte de alimentação dos aparelhos é aplicada entre emissor e colector, sendo a polarização da base obtida por uma resistência de polarização da base. LEI FÍSICA 44 22

23 Transístor Bipolar: polarização O Emissor é polarizado com a mesma polaridade que o semicondutor que o constitui. A Base é polarizada com a mesma polaridade que o semicondutor que a constitui. O Colector é polarizado com polaridade contrária à do semicondutor que o constitui. Emissor Base Colector Emissor Base Colector P N P N P N LEI FÍSICA 45 Transístor Bipolar: polarização Emissor Base Colector Emissor Base Colector P N P N P N _ R c R c R b R b Resistência de polarização de base R b R c Resistência de colector ou resistência de carga _ LEI FÍSICA 46 23

24 Transístor Bipolar: representação de tensões e correntes V BC V EC V CE Tensão colector - emissor V BE Tensão base emissor V CB Tensão colector - base V EB VEC = VEB VBC I C Corrente de colector I B Corrente de base I E Corrente de emissor V RE Tensão na resistência de emissor V RC Tensão na resistência de colector LEI FÍSICA 47 Transístor Bipolar: relação das correntes Rc Considerando o sentido convencional da corrente e aplicando a lei dos nós obtemos a seguinte relação das correntes num transístor bipolar. I = I I I C I B Rb E B C I E LEI FÍSICA 48 24

25 Transístor Bipolar: características técnicas Utilizando o código alfanumérico do transístor podem-se obter as suas características técnicas por consulta de um data book ou de um data sheet do fabricante. I C V CEO V CBO V EBO h FE ou β P d f T É a máxima corrente de colector que o transístor pode suportar. Se este parâmetro for excedido o componente poderá queimar. Tensão máxima colector emissor com a base aberta. Tensão máxima colector base com o emissor aberto. Tensão máxima emissor base com o colector aberto. Ganho ou factor de amplificação do transístor. Potência máxima de dissipação. Frequência de transição (frequência para a qual o ganho do transístor é 1 ou seja, o transístor não amplifica mais a corrente). LEI FÍSICA 49 Transístor Bipolar: substituição de transístores por equivalentes Num circuito não se pode substituir um transístor de silício por um de germânio ou vice versa. Também não se pode trocar directamente um transístor NPN por um PNP ou vice versa. A letra (A, B, C ) que pode aparecer no fim do código alfanumérico indica sempre aperfeiçoamentos ou melhorias em pelo menos um dos parâmetros, limites ou características do transístor. Exemplo: O BC548A substitui o BC548. O BC548A não substitui o BC548B LEI FÍSICA 50 25

26 Transístor Bipolar: Dissipadores de calor O uso de dissipadores ou radiadores externos de calor são quase que obrigatórios nos transístores que trabalham com potências elevadas de modo a evitar o sobreaquecimento do componente e a sua possível destruição. LEI FÍSICA 51 26