INTRODUÇÃO
Estrutura da Matéria
Como já é de nosso conhecimento, podemos dividir um material em porções
cada vez menores, até que chegamos a menor das porções, que recebe o nome de
molécula. Podemos então intitular por molécula a menor porção que um material pode
ser dividido sem que com isso venha sofrer alterações em suas propriedades. Se da
molécula partimos a uma nova divisão, chegaremos ao átomo que por sua vez não
mais conservará as propriedades do material subdividido. Isso é mais ou menos óbvio,
pois se uma molécula de uma dada substância for composta de uma série de
elementos químicos, em sua divisão iremos separá-los, mudando as características do
todo.
Podemos tomar como exemplo o elemento abaixo
Ex.: H2O -- Molécula de água
Átomo
Definimos átomo como sendo a menor partícula que compõe a molécula, e
este por sua vez também é composto de outras partículas que são elétrons, prótons e
nêutrons.
Os prótons e nêutrons constituem o núcleo, tendo os primeiros carga positiva
e os nêutrons não possuindo carga alguma.
Os elétrons possuem carga elétrica negativa, e giram ao redor do núcleo em
órbitas concêntricas, como na ilustração abaixo:
Quanto aos elétrons ainda podemos salientar o seguinte:
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- Eles se apresentam em níveis de energia predispostos a partir do núcleo
como na apresentação abaixo, que podemos notar a presença de 7 desses níveis na
ordem :
- K, L, M, N, 0, P, Q, vide ilustração:
O número máximo de elétrons por camada acha-se descrito abaixo:
Camada
N0 de Elétrons
K _______________________
L _______________________
M _______________________
N _______________________
O _______________________
P _______________________
Q _______________________
02
08
18
32
32
18
08
A última camada (também denominada camada de Valência) apresenta
quando completa um total de 8 elétrons, que recebem a denominação de Elétrons de
Valência. Cabe aqui uma observação no tocante aos únicos elementos existentes na
natureza que por sua vez apresentam a última camada completa, são eles os gases
nobres.
Quanto às camadas inferiores, uma vez completas, não cedem nem recebem
elétrons, logo os elétrons de valência são os únicos em condição de participarem de
fenômenos químicos, ou mesmo elétricos.
Obs . : Um elétron pode girar em torno de dois núcleos, quando encontra os átomos
simetricamente dispostos.
Vamos a seguir através de exemplos, definir o que seja Valência,
Eletrovalência e Covalência.
Valência
Um átomo é estável quando apresenta a última camada completa, ou seja, a
primeira camada possui 2 elétrons e as restantes apresentando no mínimo 8 elétrons.
Para melhor esclarecimento, veja a figura abaixo:
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Eletrovalência
Teremos eletrovalência, quando um dos átomos doar definitivamente um
elétron ao átomo vizinho, e o outro recebê-lo definitivamente.
Na cede 1 elétron a Cl, que passa a ficar com 8 elétrons na camada de
valência.
Cova1ência
Existe covalência quando os átomos usam em sociedade seus elétrons, para
melhor esclarecimento, passamos à figura a seguir, onde temos uma molécula de CO2
(gás carbônico) e representamos apenas o núcleo e a camada de valência para maior
facilidade de entendimento.
Antes de tratarmos diretamente do assunto a que estamos nos propondo a
discorrer desde o início, que é sobre os semicondutores, se faz necessário um pequeno
comentário sobre condutores e isolantes.
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Condutores
São elementos que possuem elétrons livres em grandes quantidades, que por
sua vez são os elétrons fracamente ligados ao núcleo e que sobre a ação de uma
diferença de potencial passam se locomover no interior do material em questão.
Quanto maior número de elétrons livres presentes no material, maior será o fluxo de
corrente pelo mesmo quando submetido a uma diferença de potencial,
consequentemente maior será sua condutividade.
Ex.:
Como podemos notar na ilustração acima, os elétrons livres serão atraídos
pelo pólo positivo da bateria, e quando um elétron muda de posição deixa um vazio
que poderá ser ocupado por outro elétron, estabelecendo desta maneira a corrente
elétrica. Gostaríamos de frisar também, a ação da temperatura sobre a condutividade
de um material. Quanto mais aquecermos um condutor, mais energia estamos
fornecendo a ele, conseqüentemente mais elétrons movimentar-se-ão, ocorrendo
choques e um movimento desordenado no interior do condutor dificultando por
conseguinte o movimento dos mesmos.
Como exemplo de condutores podemos citar o Ouro, Prata, Cobre e outros.
Isolantes
Os elétrons nos materiais isolantes acham-se fortemente presos em suas
ligações, e mesmo quando aquecidos, desprendem uma quantidade muito pequena de
elétrons, evitando dessa maneira a circulação de elétrons.
Como exemplo de isolantes podemos citar a Borracha, Mica, Porcelana, etc.
Semicondutores
Os materiais semicondutores são elementos cuja resistência situa-se entre a
dos condutores e a dos isolantes. Os principais semicondutores utilizados são o
Germânio (Ge) e o Silício (Si), que em estado puro apresentam-se sob a forma
cristalina, significando que seus átomos acham-se dispostos uniformemente em uma
configuração periódica.
A figura abaixo nos mostra a estrutura atômica do Germânio e do Silício.
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Como podemos notar, ambos os elementos Germânio e Silício possuem um
total de 4 elétrons na última camada que é a camada de valência, também denominada
por (elétrons de valência) número de valência. Como sabemos, o número máximo de
elétrons para a última camada é 8, e como ambos possuem 4, podem formar ligação
covalente e atingir um total de 8 elétrons na última camada, formando por conseguinte
uma estrutura cristalina.
Ex.:
Notamos claramente pela Fig. 9, que cada átomo encontra-se unido a quatro
átomos vizinhos por uma ligação covalente. Da forma como se apresenta o elemento
acima, ao aplicarmos uma tensão não resultará uma corrente, pois os elétrons achamse presos às ligações de valência, não havendo, por conseguinte, elétrons livres para a
condução. Para que haja circulação teríamos de romper as ligações covalentes
mediante a aplicação de energia suficiente ao elemento, energia essa de diferentes
formas, luz, calor, etc.
Formação das lacunas
Com o rompimento da ligação de valência (covalente-cadeia de valência)
ocorre a liberação do elétron, e o espaço vazio dado por tal rompimento, comporta-se
como uma carga positiva móvel que pode se mover de um lado a outro do cristal.
Para melhor entendimento passemos à Fig. 10.
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Mecanismo da Condução de Elétrons e Lacunas
Fig. 10a -
O vazio aí representado (0) deve-se ao fato de um elétron ter sido
atraído pelo pólo positivo da bateria, ficando este vazio (buraco)
também denominado por lacuna, a se comportar como uma carga
positiva dotada de mobilidade.
Fig. 10b -
Notamos nessa ilustração que a carga positiva móvel (denominada por
lacuna) caminha em direção ao pólo negativo da bateria, enquanto que
os elétrons caminham para o lado positivo.
Obs.:-
Cada elétron retirado do material pelo pólo positivo da bateria ocasiona a
formação de uma lacuna, porém o pólo negativo da mesma se encarrega de
repor um outro. Notamos em 10b que um elétron passou a ocupar a lacuna
originada pelo elétron atraído pelo positivo da bateria, porém ao deslocar-se
originou em seu antigo lugar uma nova lacuna, e por esse mecanismo
teremos duas correntes dentro do material, uma de portadores positivos e
outra de portadores negativos de carga (elétrons), cujos sentidos acham-se
em 10a. A lacuna apresenta carga igual a do elétron, porém com polaridade
oposta, obedece a um potencial elétrico como o elétron, porém em sentido
oposto.
Formação dos Elementos P e N
A título de observação ainda do assunto Semicondutores, gostaríamos de
tratar de recombinação que ocorre entre elétrons e lacunas.
Quando em movimento, elétrons e lacunas, haverá sempre a possibilidade de
ambos se recombinarem eliminando dessa maneira dois portadores móveis, um
elétron e uma lacuna. Desta forma, nem as lacunas e nem os elétrons conservar-se-ão
livres indefinidamente.
Formação dos Elementos Tipo P
Antes de detalharmos o processo de obtenção desses elementos, faremos
algumas observações que facilitarão a compreensão do mesmo.
Elementos Trivalentes
Por trivalente entende-se todo elemento que possua em sua última camada
(camada de valência) um total de 3 elétrons.
Ex.:- alumínio, índio, boro, gálio.
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Elementos Tetravalentes
Por tetravalente entende-se todo elemento que possua em sua última camada
(camada de valência) um total de 4 elétrons.
Dopagem
Processo utilizado para constituir os elementos P e N, através da adição junto
ao Ge ou Si de quantidades bem reduzidas de impurezas. Entende-se por impureza
todo material que não Ge ou Si, como alumínio, por exemplo.
Se ao Ge que é um material tetravalente (ou Si) introduzirmos uma pequena
quantidade de material trivalente, teremos com conseqüência que os elétrons desse
elemento formarão ligações de valência com os elétrons do Ge ou Si. Notamos
também, que pelo fato de termos introduzido um elemento trivalente numa das
ligações de valência faltará um elétron, pois o elemento trivalente colaborou apenas
com 3 elétrons, enquanto que o Ge ou Si possuem 4 elétrons. Essa falta de elétron,
comporta-se como uma carga positiva (lacuna), e nesse espaço poderá entrar um
elétron de uma outra união. Para melhor compreensão do ocorrido passamos à figura
11 que nos retrata todo o processo de formação de elemento tipo P.
Formação dos elementos Tipo N
O processo de formação deste é semelhante ao anterior, menos no que se
refere à impureza aqui adicionada.
Elemento Pentavalente
Entende-se por pentavalente, todo elemento que possua em sua última
camada um total de 5 elétrons.
Ex.: Antimônio, Fósforo, Arsênico.
Se em uma pequena barra de Ge ou Si, elementos tetravalentes, adicionarmos
uma pequena quantidade de um elemento pentavalente teremos como resultado, que
os elétrons do átomo da impureza formarão ligações de valência com os elétrons do
átomo de Ge ou Si. Notamos dessa breve exposição, que a impureza possui 5 elétrons
de valência, enquanto que o Ge ou Si possuem 4 elétrons de valência, e como a última
camada pode no máximo se apresentar com um máximo de 8 elétrons, teremos um
elétron a mais, que não estará tão ligado como os outros pertencentes as ligações
covalentes, podendo por conseguinte mover-se pelo cristal quando este for submetido
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a uma tensão externa. Para melhor visualização passamos à figura 12, onde podemos
de uma forma reduzida observar o acima aludido.
Observações Gerais
Elementos Doadores
Os elementos que através do processo da dopagem fornecerem elétrons
excedentes ao Silício ou Germânio, serão denominados de Doadores.
Elementos Receptores
Os elementos que através do processo da dopagem derem origem à formação
de lacunas, serão denominados de Receptores.
Ao material cujo processo de dopagem deu origem à formação de
elétrons excedentes, denominar-se-á material tipo N.
Ao material cujo processo de dopagem deu origem à formação de
lacunas, denominar-se-á material tipo P.
Influência da Temperatura nos Semicondutores
Nos condutores, com aumento da temperatura, teremos um movimento
desordenado de elétrons, aumentando as colisões e consequentemente a resistência do
material. Já nos semicondutores, o corre totalmente o inverso, com o aumento da
temperatura teremos sua resistência diminuída, devido a presença das impurezas fato
esse que abordaremos com maiores detalhes quando tratarmos das junções P-N.
Junção P-N (Diodo)
Se unirmos substâncias do tipo P a substâncias do tipo N, de maneira a
constituirmos um cristal único (junção na qual mantida a continuidade da estrutura
cristalina), esta junção será denominada de junção P-N ou diodo de junção.
Observações
- Nos elementos tipo N, os elétrons serão denominados portadores
majoritários de carga, existindo também nesses elementos os portadores minoritários
de carga que são as lacunas.
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- Nos elementos tipo P, as lacunas serão denominadas portadores
majoritários de carga, existindo também nesses elementos os portadores minoritários
de carga que são os elétrons.
- Difusão de cargas pode ser entendida como o deslocamento de cargas de
regiões de elevada concentração para regiões de baixa concentração. Para termos
uma melhor idéia do que vem a ser difusão, imaginemos como um gás que encontrase concentrado num pequeno recipiente ao ser libertado ocupará por completo um
recipiente maior (uma sala), partindo portanto de uma região de alta concentração (o
recipiente menor) para uma região da baixa concentração (a sala).
Visto isso, podemos passar a uma análise da junção P-N não polarizada,
polarizada diretamente, reversamente polarizada e seu comportamento em relação à
temperatura.
Na figura 13 temos representada uma junção P-N não polarizada.
C.C.E. - Camada de Carga Espacial
E - Campo Elétrico originado pelos íons ligados à rede Cristalina.
O material N apresenta um grande numero de elétrons e o material P um
grande número de lacunas logo, quando dispostos a formar uma junção P-N como na
figura 13, haverá difusão de lacunas do elemento P ao N e de elétrons de N para P.
Durante a difusão, as áreas que se encontram em torno da junção, ficarão livres de
portadores de carga (elétrons e lacunas), devido à recombinação entre esses
portadores e suas conseqüentes anulações. Com a formação de íons positivos de um
dos lados da junção e negativos do outro teremos um decréscimo nas correntes, o que
é facilmente compreendido se lembrarmos que um elétron que tentar passar através da
junção vindo do lado N, encontrará uma barreira negativa do lado P que o repelirá,
dando-se o mesmo com as lacunas, ficando claro que, no material em questão, haverá
um equilíbrio de cargas em torno da junção. Com o acúmulo de íons positivos de um
dos lados da junção e negativos do outro, estabelecer-se-á uma camada de carga
espacial ou barreira de potencial, cuja diferença de potencial (d.d.p.) está em torno de
0,3v para o germânio e 0,6 volts para o silício, à temperatura ambiente. Caso haja
formação de pares elétron-lacuna por agitação térmica, na substância tipo N haverá
migração de lacunas e na tipo P migração de elétrons, continuando então a haver
fluxo de portadores minoritários através do material auxiliados pela diferença do
potencial gerada pela difusão dos portadores majoritários, porém tal fluxo é
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contrabalançado pela difusão de portadores majoritários, tendo como conseqüência o
alargamento da Camada de Carga Espacial.
Junção P-N Polarizada Inversamente
Para que tenhamos uma melhor visão do que seja a polarização inversa ou
reversa, lançaremos mão das figuras 14 e 15, onde temos uma junção P-N sem
polarização externa e a junção P-N reversamente polarizada. Em ambas, serão
representadas apenas as larguras da barreira de potencial, pois o mecanismo de
formação destas já foi detalhado anteriormente
Junção P-N sem polarização externa
Obs.:-
Polarização Inversa ou Reversa consiste em colocarmos o positivo da
bateria no elemento N da junção P-N, e o negativo da bateria do lado P.
Junção P-N com polarização inversa
Como podemos notar, houve um alargamento da Camada de Carga Espacial
(C.C.E.) ou Barreira de Potencial, com a aplicação da polarização externa, e quanto
maior for esta polarização externa mais se, alargará a C.C.E., havendo é 1ógico como
veremos mais adiante limites para essa tensão reversa. Como já dito anteriormente e
assinalado na figura 13, existe um campo elétrico E no material, e ao introduzirmos
uma polarização reversa, estaremos aumentando tal campo, de modo a impedir a
circulação de portadores majoritários de carga através da junção. Entretanto, teremos
um aumento na corrente dos portadores minoritários, que irá do negativo para o
positivo. Convém, nesta altura fixarmos um elemento de carga responsável pela
condução no material, que para nós será o portador positivo de carga (lacuna). Logo,
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os portadores majoritários de carga serão os positivos e deverão fluir do lado P ao
lado N do material, enquanto que os minoritários serão as lacunas que se encontram
do lado N, como na ilustração da figura 13.
Para maior clareza, passemos à figura 16 que indica o sentido de corrente dos
portadores minoritários, resultante da polarização reversa.
Eint = Campo Elétrico Interno
Eext = Campo Elétrico externo
Sentido da corrente dos portadores minoritários de carga devido a
polarização reversa.
Esta corrente como vimos, aumenta com a variação da largura da C.C.E., até
o ponto em que e atingida a largura máxima, onde a partir desse ponto ela não
aumenta mais. A esse valor máximo de corrente é atribuído o nome de corrente de
saturação inversa.
A junção polarizada reversamente apresenta uma resistência da ordem de
mega-ohms enquanto que a corrente de saturação situa-se em torno de alguns nanoampéres.
Junção P-N Polarizada Diretamente
Como polarização direta, podemos entender o seguinte:
- Coloca-se o positivo da bateria no elemento P, e o negativo no elemento N.
Junção P. N. sem polarização externa
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Junção P. N. diretamente polarizada
Como podemos notar na figura 18, a junção P-N acha-se polarizada
diretamente, e o campo elétrico da diferença de potencial acha-se em oposição ao
campo interno, logo teremos uma diminuição na C.C.E. (ou barreira). Com a
diminuição da largura da C.C.E., diminui também a resistência da junção, passando
agora a ser um pouco maior que uma ou duas dezenas de ohms. Como vemos, a
corrente será de lacunas (portadores positivos de carga) do lado P para o lado N, pois
assim o convencionamos, e para melhor esclarecimento passamos às convenções
abaixo:
Como podemos notar nas ilustrações das figuras 19a e19b, no gerador
(elemento ativo) tensão e corrente acham-se no mesmo sentido, enquanto que, no
elemento passivo (resistor) acham-se em sentido contrário.
Para maior clareza voltemos à figura 18 acompanhando agora os sentidos de
tensão e corrente dos portadores positivos. Nesta altura dos acontecimentos, já deve
ter ficado claro que o elemento P-N conduz quando diretamente polarizado,
apresentando na junção uma pequena resistência, e não conduz quando polarizado em
sentido reverso, apresentando uma resistência da ordem de Mega-ohms. Tal elemento
pelas características acima descritas, será utilizado para retificação de sinais,
recebendo para tanto o nome de Diodo de Junção, cujo símbolo segue abaixo:
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A partir de agora, passaremos a utilizar apenas o símbolo do elemento diodo,
e não mais a representação em bloco.
Curva Característica de um Diodo
Na figura abaixo, temos representada a curva característica de um diodo,
com polarização direta e reversa.
A curva acima será a mesma para os elementos de germânio e silício. Como
já mencionamos anteriormente, o diodo poderá ser polarizado direta ou reversamente.
Em polarização direta para o germânio tem-se cerca de 0,3 volts, e para o silício cerca
de 0,6 volts. Polarizado diretamente, o diodo de junção servirá como elemento
retificador, cujo estudo detalhado faremos noutra oportunidade. Pode-se notar pela
curva (em polarização direta), que para pequenos valores de tensão Vd, quase não
temos Id, passando a existir corrente quando atingirmos as características de condução
do germânio e do silício já descritas. Em polarização reversa, notamos que para
pequenos valores de tensão a corrente Ir é aproximadamente constante. Se
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aumentarmos Vr até próximo da tensão de ruptura, notaremos que Ir quase não
apresenta variações, sendo ainda de pequeno valor. Ao atingirmos a tensão de ruptura,
ocorrerá o efeito avalanche (Break Down), que consiste no seguinte:
A tensão reversa aplicada à junção, como já visto anteriormente, aumenta a
barreira de potencial, e consequentemente um elétron minoritário presente nesta
região será acelerado devido ao campo elétrico. Com o aumento gradativo da tensão
reversa, mais e mais elétrons são acelerados, dando origem a novos elétrons livres e a
posteriores aumentos de corrente, o que podemos notar claramente na curva
apresentada. Pois bem, elevando-se a corrente, mais portadores serão liberados,
estabelecendo-se um ciclo que culminara com a ruptura do elemento germânio e
silício. Apenas a título de comentário, pois este assunto será tratado detalhadamente,
esta característica de polarização reversa será explorada nos diodos denominados
Diodos de Referência de Tensão ou simplesmente Diodos Zener, sendo esta uma
característica básica para seu funcionamento.
Traçado da Reta de Carga de um Diodo
A curva anteriormente descrita é fornecida pelo fabricante do elemento, bem
como todas as características do elemento em apreço, sendo imprescindível sua prévia
consulta para utilização do mesmo em circuito.
Sempre que utilizarmos um diodo, devemos levantar sua reta de carga, de
onde determinamos seu ponto de operação.
Peguemos como exemplo o circuito abaixo:
No circuito acima, temos um diodo polarizado diretamente, pois seu ânodo
(elemento P) acha-se ligado ao positivo da bateria, e seu cátodo através do resistor ao
elemento negativo da bateria.
O sentido em que circula a corrente acha-se indicado, bem como os sentidos
de tensão sobre o resistor e o diodo.
Feitas estas considerações, podemos passar ao traçado da reta de carga de
nosso elemento.
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Para traçarmos uma reta, necessitamos de 2 pontos, ou uma referência e sua
inclinação, como veremos a seguir:
Do circuito da figura 22, determinamos com facilidade o valor de I máximo,
que é o valor máximo de corrente que circula pelo circuito quando consideramos o
diodo como um curto:
Imáx = V/R.
Calculado este valor, basta marcá-lo, e em seguida determinamos a
inclinação da reta, dada por -1/R.
A reta de carga intercepta a característica do diodo no ponto de operação do
mesmo, ponto quiescente, e através de duas perpendiculares passando por esse ponto
em relação a Id e Vd, determinamos a tensão de trabalho e corrente de trabalho (tensão
e corrente de trabalho ou quiescentes) do diodo.
Da figura 23, pelo processo já descrito iremos obter Idq e Vdq, que são
respectivamente corrente e tensão do ponto de trabalho.
Efeito da Temperatura na Característica Direta de um Diodo
Uma junção P-N, como já comentado anteriormente, sofre influência da
temperatura. A temperatura máxima do elemento silício está por volta de 150oC,
enquanto que a do germânio acha-se por volta de 100oC. Para cada aumento de 1oC na
temperatura, teremos em decorrência, que a queda de tensão direta diminui cerca de
2,5mv/oC .
Para melhor esclarecimento, daremos a seguir um exemplo:
Um diodo de silício apresenta à temperatura de 25oC uma queda no sentido
direto de 0,6V a uma corrente de 12mA.
Se mantivermos a corrente constante, qual será a tensão direta resultante na
temperatura de 115oC ?
Resolução
A solução deste problema é uma simples regra de três, como podemos notar:
1oC
90oC
2,5 mV
x
T2
T1
115oC
-25oC
90oC (∆T)
x = 90 x 2,5 = 225 mV
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tensão direta resultante = tensão inicial - variação da tensão.
0,6V ou
600mV = tensão inicial
-225mV = variação da tensão
375mV = tensão resultante
A seguir apresentamos uma família de características direta de um diodo para
diferentes temperaturas.
Bibliografia
Cipelli, A.M.V. e Sandrini, W.J., Teoria e Desenvolvimento de Projetos de Circuitos
Eletrônicos, Livros Érica Editora Ltda, 8a Ed., 1984.
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