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Centro Universitário do Norte Paulista – UNORP
Prof. Daniel Cardoso da silva
Circuitos Elétricos
2º Ano Engenharia da Computação
SEMICONDUTORESESTUDO DO SEMICONDUTORES
Os átomos de germânio e silício tem uma camada devalência com 4 elétrons. Quando os átomos degermânio (ou silício) agrupam-se entre si, formam umaestrutura cristalina, ou seja, são substâncias cujosátomos se posicionam no espaço, formando umaestrutura ordenada. Nessa estrutura, cada átomo une-se a quatro outros átomos vizinhos, por meio deligações covalentes, e cada um dos quatro elétrons devalência de um átomo é compartilhado com um átomovizinho, de modo que dois átomos adjacentescompartilham os dois elétrons, ver figura abaixo.
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SEMICONDUTORES
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Se nas estruturas com germânio ou silício não fossepossível romper a ligações covalentes, elas seriammateriais isolantes. No entanto com o aumento datemperatura algumas ligações covalentes recebemenergia suficiente para se romperem, fazendo comque os elétrons das ligações rompidas passem a semovimentar livremente no interior do cristal,tornando-se elétrons livres.
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SEMICONDUTORES
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Com a quebra das ligações covalentes, no local ondehavia um elétron de valência, passa a existir umaregião com carga positiva, uma vez que o átomo eraneutro e um elétron o abandonou. Essa regiãopositiva recebe o nome de lacuna, sendo tambémconhecida como buraco. As lacunas não temexistência real, pois são apenas espaços vaziosprovocados por elétrons que abandonam as ligaçõescovalentes rompidas.
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Sempre que uma ligação covalente é rompida,surgem, simultaneamente um elétron e uma lacuna.Entretanto, pode ocorrer o inverso, um elétronpreencher o lugar de uma lacuna, completando aligação covalente (processo de recombinação). Comotanto os elétrons como as lacunas sempre apareceme desaparecem aos pares, pode-se afirmar que onúmero de lacunas é sempre igual a de elétronslivres.
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Quando o cristal de silício ou germânio ésubmetido a uma diferença de potencial, oselétrons livres se movem no sentido do maiorpotencial elétrico e as lacunas porconseqüência se movem no sentido contrárioao movimento dos elétrons.
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Os cristais de silício (ou germânio. Mas não vamos considera-lo, por simplicidade e também porque o silício é de usogeneralizado em eletrônica) são encontrados na naturezamisturados com outros elementos. Dado a dificuldade de secontrolar as características destes cristais é feito um processode purificação do cristal e em seguida é injetado através deum processo controlado, a inserção proposital de impurezasna ordem de 1 para cada 106 átomos do cristal, com aintenção de se alterar produção de elétrons livres e lacunas. Aeste processo de inserção dá-se o nome de dopagem.As impurezas utilizadas na dopagem de um cristalsemicondutor podem ser de dois tipos: impureza doadoras eimpurezas aceitadoras.
IMPUREZASSEMICONDUTORES
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IMPUREZA DOADORA
São adicionados átomos pentavalentes (com 5elétrons na camada de valência. Ex.: Fósforo eAntimônio). O átomo pentavalente entra no lugar deum átomo de silício dentro do cristal absorvendo assuas quatro ligações covalentes, e fica um elétronfracamente ligado ao núcleo do pentavalente (umapequena energia é suficiente para se tornar livre).
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SEMICONDUTORES
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IMPUREZA ACEITADORA
São adicionados átomos trivalentes (tem 3 elétronsna camada de valência. Ex.: Boro, alumínio e gálio).O átomo trivalente entra no lugar de um átomo desilício dentro do cristal absorvendo três das suasquatro ligações covalentes. Isto significa que existeuma lacuna na órbita de valência de cada átomotrivalente.
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SEMICONDUTORES
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Um semicondutor pode ser dopado para ter umexcesso de elétrons livres ou excesso de lacunas. Porisso existem dois tipos de semicondutores:
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SEMICONDUTOR TIPO N
O cristal que foi dopado com impureza doadora échamado semicondutor tipo n, onde n estárelacionado com negativo. Como os elétrons livresexcedem em número as lacunas num semicondutortipo n, os elétrons são chamados portadoresmajoritários e as lacunas, portadores minoritários.
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SEMICONDUTOR TIPO P
O cristal que foi dopado com impureza aceitadora échamado semicondutor tipo p, onde p estárelacionado com positivo. Como as lacunas excedemem número os elétrons livres num semicondutor tipop, as lacunas são chamadas portadores majoritários eos elétrons livres, portadores minoritários.
SEMICONDUTORES
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Diodos
A união de um cristal tipo p e um cristal tipo n,obtém-se uma junção pn, que é um dispositivo deestado sólido simples: o diodo semicondutor dejunção.
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DiodosDevido a repulsão mútua os elétrons livres do lado nespalham-se em todas direções, alguns atravessam ajunção e se combinam com as lacunas. Quando istoocorre, a lacuna desaparece e o átomo associadotorna-se carregado negativamente. (um íonnegativo)
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Diodos
Cada vez que um elétron atravessa a junçãoele cria um par de íons. Os íons estão fixo naestrutura do cristal por causa da ligaçãocovalente. À medida que o número de íonsaumenta, a região próxima à junção fica semelétrons livres e lacunas. Chamamos estaregião de camada de depleção.
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Além de certo ponto, a camada de depleção agecomo uma barreira impedindo a continuação dadifusão dos elétrons livres. A intensidade da camadade depleção aumenta com cada elétron que atravessaa junção até que se atinja um equilíbrio. A diferençade potencial através da camada de depleção échamada de barreira de potencial. A 25º, estabarreira é de 0,7V para o silício e 0,3V para ogermânio.O símbolo mais usual para o diodo é mostrado aseguir:
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Diodos
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Diodos
POLARIZAÇÃO DO DIODOPolarizar um diodo significa aplicar uma diferença depotencial às suas extremidades. Supondo umabateria sobre os terminais do diodo, há umapolarização direta se o pólo positivo da bateria forcolocado em contato com o material tipo p e o pólonegativo em contato com o material tipo n.
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Diodos
POLARIZAÇÃO DIRETANo material tipo n os elétrons são repelidos peloterminal da bateria e empurrado para a junção. Nomaterial tipo p as lacunas também são repelidaspelo terminal e tendem a penetrar na junção, e istodiminui a camada de depleção. Para haver fluxo livrede elétrons a tensão da bateria tem de sobrepujar oefeito da camada de depleção.
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DiodosPOLARIZAÇÃO REVERSA
Invertendo-se as conexões entre a bateria e a junçãopn, isto é, ligando o pólo positivo no material tipo n eo pólo negativo no material tipo p, a junção ficapolarizada inversamente.No material tipo n os elétrons são atraídos para oterminal positivo, afastando-se da junção. Fatoanálogo ocorre com as lacunas do material do tipo p.Podemos dizer que a bateria aumenta a camada dedepleção, tornando praticamente impossível odeslocamento de elétrons de uma camada paraoutra.
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Diodos
CURVA CARACTERÍSTICA DE UM DIODO
A curva característica de um diodo é um gráfico querelaciona cada valor da tensão aplicada com arespectiva corrente elétrica que atravessa o diodo.
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DiodosPOLARIZAÇÃO DIRETA
Nota-se pela curva que o diodo ao contrário de, porexemplo, um resistor, não é um componente linear.
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Diodos
TENSÃO DE JOELHOAo se aplicar a polarização direta, o diodo não conduzintensamente até que se ultrapasse a barreirapotencial. A medida que a bateria se aproxima dopotencial da barreira, os elétrons livres e as lacunascomeçam a atravessar a junção em grandesquantidades. A tensão para a qual a corrente começaa aumentar rapidamente é chamada de tensão dejoelho. ( No Si é aprox. 0,7V).
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Diodos
O diodo polarizado reversamente, passa umacorrente elétrica extremamente pequena, (chamadade corrente de fuga).Se for aumentando a tensão reversa aplicada sobre odiodo, chega um momento em que atinge a tensãode ruptura (varia muito de diodo para diodo) a partirda qual a corrente aumenta sensivelmente.
* Salvo o diodo feito para tal, os diodos não podemtrabalhar na região de ruptura.
POLARIZAÇÃO REVERSA DO DIODO
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DiodosPOLARIZAÇÃO REVERSA DO DIODO
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DiodosGRÁFICO COMPLETO.
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DiodosESPECIFICAÇÕES DE POTÊNCIA DE UM DIODOEm qualquer componente, a potência dissipada é atensão aplicada multiplicada pela corrente que oatravessa e isto vale para o diodo:
P = U∗ I
Não se pode ultrapassar a potência máxima,especificada pelo fabricante, pois haverá umaquecimento excessivo. Os fabricantes em geralindicam a potência máxima ou corrente máximasuportada por um diodo.
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Diodos
Ex.: 1N914 - PMAX = 250mW1N4001 - IMAX = 1A
Usualmente os diodos são divididos em duascategorias, os diodos para pequenos sinais (potênciaespecificada abaixo de 0,5W) e os retificadores(PMAX > 0,5W).
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Diodos
RESISTOR LIMITADOR DE CORRENTE
Num diodo polarizado diretamente, umapequena tensão aplicada pode gerar umaalta intensidade de corrente. Em geral umresistor é usado em série com o diodopara limitar a corrente elétrica que passaatravés deles.RS é chamado de resistor limitador decorrente. Quanto maior o RS, menor acorrente que atravessa o diodo e o RS .
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DiodosReta de Carga
•Determinação exata do valor de corrente e tensão no diodo;•A corrente no circuito é:
•Se, VS = 2 V e RS = 100 Ω, então:
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DiodosPontos de cruzamento nos eixos :•V = 0 (I = 20 mA) – ponto de corte•I = 0 (V = 2V) – ponto de saturação•Outros valores permitem calcular os pontos da reta de carga
Ponto Q (quiescente) – ponto de operação•Ponto de intersecção entre a reta de carga e a curva do diodo;•VQ = 0,75 V e IQ = 12,5 mA;•Outras retas de carga:
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Diodos
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DiodosCircuitos Equivalente dos Diodos•Tensão de limiar: aproximações de 10%;•Primeira aproximação: Diodo Ideal•Condução direta e bloqueio quandopolarizado reversamente;
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DiodosSegunda aproximação:
•Tensão de limiar constante de 0,7 V –inclusão de uma fonte dc;
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Terceira aproximação:
•Inclusão de uma resistência rB
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Diodos
DIODO EMISSOR DE LUZ E FOTODIODOO diodo emissor de luz (LED) é um diodo quequando polarizado diretamente emite luzvisível (amarela, verde, vermelha, laranja ouazul) ou luz infravermelha. Ao contrário dosdiodos comuns não é feito de silício, que é ummaterial opaco, e sim, de elementos comogálio, arsênico e fósforo. É amplamente usadaem equipamentos devido a sua longa vida,baixa tensão de acionamento e boa respostaem circuitos de chaveamento.
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DiodosA polarização do LED é similar ao um diodo comum,ou seja, acoplado em série com um resistor limitadorde corrente, como mostrado anteriormente. O LED éesquematizado como um diodo comum com setaapontando para fora como símbolo de luz irradiada. Acorrente que circula no LED é:
Para a maioria dos LED’s disponíveis no mercado, a queda de tensão típica é de 1,5 a 2,5V para correntes entre 10 e 50mA.
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DiodosFOTODIODOÉ um diodo com encapsulamento transparente,reversamente polarizado que é sensível a luz. Nele, oaumento da intensidade luminosa, aumenta sua a correntereversa Num diodo polarizado reversamente, circulasomente os portadores minoritários. Esses portadoresexistem porque a energia térmica entrega energia suficientepara alguns elétrons de valência saírem fora de suas órbitas,gerando elétrons livres e lacunas, contribuindo, assim, paraa corrente reversa. Quando uma energia luminosa incidenuma junção pn, ela injeta mais energia ao elétrons devalência e com isto gera mais elétrons livres. Quanto maisintensa for a luz na junção, maior será corrente reversa numdiodo.
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DIODO ZENER
• Otimizado para trabalhar na região de ruptura(diodo de ruptura);• Usado intensivamente em reguladores de tensão;• Mantém a tensão de saída constante apesar degrandes variações da tensão de entrada e daresistência da carga;• De acordo com a dopagem, a tensão de rupturavaria de 2 a 200 V;
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Diodos
•Ao atingir Vz (com IZT) , a tensão permanece constante;• IZT – corrente zener máxima
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Diodos
P = V * I
Exemplo 1-3: Se um diodo zener de 12V tem uma especificação de potência máxima de 400mW, qual será a corrente máxima permitida?
CORRENTE MÁXIMA NO ZENER
Obs: Izmin = Izmax /10
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Diodos
REGULADOR DE TENSÃO COM ZENER
Objetivo: manter a tensão sobre a carga constante e de valor Vz.
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DiodosO Resistor Rs serve para limitar a corrente no diodoZener, sendo que, a pior situação possível é quandoa carga for infinita, ou seja, a fonte em aberto(IL=0) e a tensão de entrada com a máximavariação (VEmáx = VE + ∆VE). Nessa situação,vamos dimensionar Rs:
IZmáx
VzVERS
−=
minmin
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DiodosEssa relação nos dá o valor mínimo de Rs. Para fins deprojeto, devemos adotar um valor comercial maiorque RSmin, porém o mais próximo possível, paramaior rendimento, a nível de corrente de saída dafonte. O limite superior para esse valor é dado,considerando a tensão de entrada mínima (VEmin =VE – ∆VE) e a corrente mínima de operação para odiodo Zener (Izmin. Portanto, temos:
min
min
IZ
VZVERSmáx
−=
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Diodos
Na situação da corrente máxima de saída (ILmáx),a corrente que pode circular pelo diodo Zener éIZmin. Para fins de segurança, considerar como amínima tensão de entrada (VEmin). Portanto:
Rs
VZVEIonde
IZIILmáx
−=
−=
min:
min
Substituindo
minmin
max IZRs
VZVEIL −
−=
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Diodos
Considerando um carga específica (RL), é possíveldeterminar as relações para se obter a máximavariação da tensão de entrada possível. Nessasituação, temos:
RL
VsIL =
Escrevendo a equação da tensão de entrada:
VZIRSVE += .
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VZILIZmáxRsVEmáx
VZILIZRsVE
ILIZIonde
++=
++=
∴
+=
).(
)min.(min
:
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Diodos
Optoacoplador•Associa um LED a um fotodetetor num único dispositivo;•Isolação elétrica entre os circuitos - Megaohms