SEMICONDUTORES – COMPONENTES ATIVOS
Como já vimos, um condutor é qualquer material que permite o fluxo de corrente
elétrica. Se juntarmos a palavra semi a condutor, podemos deduzir que seja qualquer
material que possui um nível de condutividade que compreende um extremo de um isolante
e um condutor. São chamados de cristais semicondutores.
Alguns materiais como o silício e o germânio tem uma estrutura interna de forma
geométrica bem definida, chamadas de estruturas cristalinas. Se em um material tivermos
somente estruturas cristalinas repetidas, temos um monocristal, característica de um
semicondutor. Os monocristais silício e germânio apresentam quatro elétrons em sua
camada de valência, presos em sua estrutura por uma ligação covalente.
Se acrescentarmos energia nesses elétrons, eles podem passar da banda de
valência para a banda de condução. Na ilustração abaixo podemos compreender a
diferença entre as bandas de energia entre condutor, semicondutor e isolante:
Uma característica dos cristais semicondutores é o potencial de GAP bem definido,
como por exemplo, o silício (1,1 eV) e o germânio (0,67 eV). Uma diferença bem definida
entre condutores, semicondutores e isolantes esta relacionado à resistividade de cada um.
Ex:
- Resistividade do cobre = 0,000001 Ω.cm
- Resistividade do germânio = 50 Ω.cm
- Resistividade do silício = 50 kΩ.cm
- Resistividade da mica = 1.000 GΩ.cm
Estes valores são válidos a materiais como certo grau de pureza, chamados de
materiais intrínsecos. Quando aplicamos impurezas nestes cristais, suas propriedades
mudam totalmente.
SEMICONDUTOR TIPO N E TIPO P:
Quando acrescentamos impurezas em um material de base de germânio ou silício
obtemos cristais semicondutores com características totalmente diferentes dos cristais
puros (intrínsecos). São os materiais semicondutores do tipo N e tipo P chamados de
materiais extrínsecos. Ao processo de inserção de impureza nos cristais semicondutores
chamamos de dopagem.
Semicondutor tipo N: Quando acrescentamos um elemento de impureza de 5 elétrons na
camada de valência (impureza pentavalente), como o antimônio, arsênio, fósforo, obtemos
o semicondutor do tipo N. Destes cinco elétrons, quatro se associam ao átomo de silício ou
germânio, e o quinto fica livre na estrutura do material. Ao semicondutor do tipo N também
chamamos de impurezas doadoras. Podemos associar N a negativo, onde os elétrons livres
excedem as lacunas. Neste caso os elétrons são chamados de portadores majoritários e as
lacunas, portadores minoritários. Abaixo podemos ver um semicondutor do tipo N com uma
impureza de fósforo:
Semicondutor tipo P: Quando acrescentamos um elemento de impureza de 3 elétrons na
camada de valência (impureza trivalentes), como o boro, gálio ou índio, obtemos o
semicondutor do tipo P. Quando associado com os tetravalentes em ligação covalente,
temos um número insuficiente de elétrons, fazendo surgir uma vaga nas ligações, chamado
de lacuna. Ao semicondutor do tipo P também chamamos de impurezas receptoras (ou
aceitadoras). Podemos associar P a positivo, onde as lacunas excedem os elétrons livres.
Neste caso as lacunas são chamadas de portadores majoritários e os elétrons livres,
portadores minoritários. Abaixo podemos ver um semicondutor do tipo P com uma impureza
de Boro:
Tanto as impurezas do tipo N como as do tipo P alteram as características dos
semicondutores, como por exemplo, o GAP do silício cai para 0,05 eV e do Germânio para
0,01 eV. Os materiais do tipo P e N são a base para construção dos dispositivos
semicondutores.
DIODO SEMICONDUTOR
(DIODO RETIFICADOR)
Quando unimos um semicondutor do tipo N com um semicondutor do tipo P,
obtemos um dispositivo sólido simples de junção PN, denominado diodo semicondutor de
junção.
Na região da junção, ocorre uma difusão dos elétrons livres com a lacuna, onde,
devido à repulsão mútua dos elétrons livres do lado N, estes se espalham por todas as
direções e alguns atravessam a junção, combinando com as lacunas (figura 1,2). Quando
isso ocorre, a lacuna desaparece e o átomo associado torna-se carregado negativamente
(íon negativo). Para cada elétron que atravessa a junção cria-se um par de íons. À medida
que o número de íons aumenta a região próxima à junção fica sem elétrons livres e lacunas.
Esta região é chamada de camada de depleção. A intensidade da camada de depleção
aumenta a cada elétron que atravessa a junção até que se atinja um equilíbrio, cirando uma
barreira impedindo a continuação da difusão (figura 3).
Figura 1
Figura 2
Figura 3
Nesta camada de depleção estabelece então uma barreira de potencial, que a 25°C,
esta barreira é de 0,7 volts para o silício e 0,3 volts para o germânio.
SIMBOLOGIA:
De cada lado da pastilha (P e N), saem um terminal onde usamos para fixar o diodo
em nosso circuito eletrônico (figura 1). Por convenção, o terminal ligado no material tipo N é
denominado catodo (K) e o terminal ligado no material do tipo P, denominado anodo (A). a
simbologia deste componente á a mostrada na figura 2.
Figura 1
POLARIZAÇÃO DO DIODO:
Figura 2
Polarizar um diodo significa aplicar uma diferença de potencial em seus terminais.
Temos duas formas de polarizar um diodo, nas quais veremos a seguir.
Polarização Direta: Quando o polo positivo da bateria é ligado ao terminal P do diodo e o
negativo ao terminal N do diodo, a quantidade de elétrons aumenta consideravelmente do
lado N, dando energia para os elétrons vencerem a barreira de potencial e se combinar com
as lacunas do lado P, tornando elétrons de valência, caminhando assim, até atingir a outra
extremidade do cristal e escoar para o lado positivo da bateria. Quando isso acontece, uma
intensa corrente elétrica passará a circular pelo diodo. Dizemos então que o diodo se
comporta como uma “chave fechada” e está polarizado diretamente.
Polarização Reversa: Quando o polo positivo da bateria é ligado ao terminal N do diodo e
o polo negativo ao terminal P do diodo, os elétrons livres da região N são obrigados a se
afastarem da junção em direção ao terminal positivo da bateria. As lacunas do material P
também se deslocam para o terminal negativo. Os elétrons que saem do terminal N deixam
íons positivos próximos a junção, e as lacunas que saem do terminal P deixam íons
negativos próximos a junção, aumentando a barreira de potencial, até que seu valor se
iguale ao valor da fonte. Nessas condições, praticamente não ocorre nenhum fluxo de
corrente pelo diodo e ele se comporta como uma “chave aberta” e está polarizado
reversamente.
CURVA CARACTERÍSTICA DO DIODO:
A curva característica do diodo é um gráfico que relaciona cada valor da tensão
aplicada com a respectiva corrente elétrica que atravessa o diodo. Nota-se pela curva que o
diodo descreve não é um componente linear, ao contrário de um resistor por exemplo.
A tensão de joelho é a tensão que ultrapassa a barreira de potencial do diodo,
fazendo-o conduzir intensamente, quando polarizado diretamente. No diodo de Silício esta
tensão é de aproximadamente 0,7 V e no diodo de Germânio, de 0,3 V.
O diodo polarizado reversamente passa uma corrente elétrica extremamente
pequena, chamada de corrente de fuga. Se a tensão reversa for aumentada passando o
limite suportado pelo diodo, é atingida a tensão de ruptura, onde a corrente aumenta
(avalanche) e o diodo é provavelmente danificado.
APROXIMAÇÕES DO DIODO:
Ao fazer analises ou projetos em circuitos com diodo é necessário conhecer as
curvas características do diodo, mas dependendo da relevância do diodo no processo
podemos usar algumas aproximações para simplificar seu dimensionamento. Temos três
aproximações:
1ª Aproximação (Diodo Ideal): No diodo ideal associamos seu comportamento como uma
chave liga/desliga, ou seja, um condutor ideal polarizado diretamente e um isolante ideal
polarizado reversamente.
2ª Aproximação: Leva em conta que o diodo precisa de uma tensão mínima para conduzir
(0,7 volts para o silício e 0,3 volts para o germânio). Podemos associar como um diodo em
série com uma bateria.
3ª Aproximação: Na terceira aproximação consideramos a resistência interna oferecida
pelo diodo em sua barreira de potencial. No diodo de silício esta resistência é de
aproximadamente 7 Ω.
Para a maioria dos trabalhos é usado como referência de análise a segunda
aproximação. É a que vamos usar.
ESPECIFICAÇÃO TÉCNICA DE UM DIODO:
Ao especificar um diodo devemos saber ao menos os seguintes itens: A capacidade
de condução de corrente direta, a tensão reversa, a máxima potência de trabalho, a
corrente de surto direta. Estas e outras informações são disponibilizadas em folhas de
dados disponibilizados pelos fabricantes, onde podemos consultar em sites especializados
na internet, como www.alldatasheet.com, www.datasheetcatalog.com, etc.
Abaixo, as especificações técnicas da série de diodos retificadores 1N4001 a
1N4007, retirada do datasheet do fabricante PANJIT.
POTÊNCIA DE UM DIODO:
Para que a potência máxima não seja ultrapassada
basta usarmos a fórmula de potência para este
dimensionamento (P = U x I). Usualmente os diodos são
divididos em duas categorias, os diodos de pequenos sinais
com potência abaixo de 0,5 W e os retificadores com
potência maior que 0,5 W. Para que o diodo não ultrapasse a
potência máxima, já que o diodo polarizado conduz corrente
como um curto circuito, devemos limitar a corrente usando
um resistor chamado de resistor limitador de corrente (Rs).
Quanto maior o valor do resistor, menor a corrente que atravessa o diodo.
RETA DE CARGA:
Como a curva característica do diodo não é linear torna-se complexo determinar o
valor de corrente e tensão em cima do resistor e do diodo. Um método utilizado para este
fim é o uso da reta de carga, que se baseia na curva característica do diodo e da curva do
resistor.
De acordo com a lei de ohm para determinar a corrente do circuito, determinado pelo
୙୰ୣୱ୧ୱ୲୭୰
୙୲୭୲ୟ୪ି୙ୢ୧୭ୢ୭
resistor limitador de corrente, temos: I =
I=
ୖ
ୖ
De acordo com a lei de Kirchhoff, em um circuito em série, a corrente será a mesma
no diodo e no resistor. Por exemplo, se a resistência for de 100Ω e a tensão de alimentação
for de 2 volts, temos:
ଶି୙ୢ୧୭ୢ୭
I=
= -0,01 x Udiodo + 0,02
ଵ଴଴
Se Udiodo = 0, substituindo na fórmula, I = 20 mA. Este ponto é chamado de ponto
de saturação, pois este é o máximo valor que a corrente pode assumir (chave fechada).
Se I = 0, substituindo na fórmula, Udiodo = 2. Este ponto é chamado de corte, pois
representa a corrente mínima que atravessa o resistor e o diodo.
Analisando o gráfico temos:
Ponto de corte: Corrente mínima do circuito (I = 0A, U = 2V).
Ponto de saturação: Corrente máxima do circuito (I = 20 mA, U = 0V).
Ponto de operação ou ponto quiescente: Representa a corrente através do diodo e do
resistor. Sobre o diodo temos uma tensão de 0,78V (I = 12mA, U = 0,78V).
PRÁTICAS DE MEDIÇÃO DO DIODO:
Podemos medir um diodo com um multímetro analógico ou digital.
- Medição com multímetro analógico: Deve ser medido na escala de resistência (Ω). Deve
apresentar em um dos sentidos (polarização direta) uma baixa resistência (em torno de 10 a
50 Ω) e no outro sentido (polarização reversa) uma alta resistência (próximo ao infinito). Se
o diodo apresentar baixa resistência nos dois sentidos o diodo esta em curto e se
apresentar alta resistência nos dois sentidos o diodo esta aberto.
- Medição com multímetro digital: O multímetro deve ser ajustado para medição de
semicondutores (normalmente representado pelo símbolo de um diodo). Na polarização
direta deve apresentar um valor em torno de 0,7 (de 0,5 a 0,8) no display do multímetro. Na
polarização reversa deve indicar infinito. Infinito dos dois lados o diodo está aberto e
indicando valores dos dois lados o diodo esta em curto.
Medindo com polarização direta (0.573)
Medindo com polarização reversa ( 0L infinito)