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Caracterização da Variação de Parâmetros de
Diodos e Transistores em Função da
Temperatura
Daniel Álvaro Dutra, Igor Barros Mayrinck, Marcos Eduardo Costa Jr., Robinson Percy Holder,
Rodrigo da Silva Conhalato, Sandro Elisson da Silveira
Trabalho da Disciplina Teoria de Materiais, 1o Semestre de 2000, Prof. Jaime Arturo Ramírez
Abstract—These report shows the influence of the
temperature in semicondutor devices, as transistors and diodes.
It is also shows experimental values for these devices as
temperature is increased.
I. INTRODUÇÃO
temperatura é uma variável de extrema importância a ser
considerada no projeto ou análise de circuitos
eletrônicos. Direta ou indiretamente ela afeta todas as
características de um dispositivo semicondutor, como seu
desempenho e confiabilidade. Para entendermos a influência
da temperatura nesses materiais, daremos um tratamento
microscópico. Como o diodo e o transistor são construídos a
partir de materiais semicondutores que sofrem influência da
temperatura, eles também terão alterações nas suas
propriedades. Um semicondutor é um material que possui um
nível de condutividade em algum ponto entre os extremos de
um isolante (baixa condutividade) e um condutor (alta
condutividade). Atualmente existem vários materiais
semicondutores, mas o germânio e o silício são os dois
materiais que têm recebido a maior parcela de interesse no
desenvolvimento de dispositivos a semicondutor. Nos últimos
anos as pesquisas têm-se intensificado cada vez mais em
relação ao silício e diminuído em relação ao germânio,
embora ainda haja uma pequena produção de germânio. Há
várias razões para se terem escolhido esses materiais, sendo
que uma delas é que podemos obtê-los com níveis de pureza
muito altos. Além disso, os átomos desses materiais formam
um modelo muito definido, que se repete por natureza. A
partir desses materiais, com a inserção de impurezas
(conhecido como processo de dopagem), obtemos junções do
tipo n e p. As junções do tipo n são obtidas com elementos de
impureza pentavalentes, enquanto as junções do tipo p são
obtidas a partir de elementos trivalentes. Componentes como
A
Trabalho feito em 27 junho de 2000 da disciplina teoria dos materiais do
curso de graduação em engenharia elétrica ministrada pelo professor Jaime
Arturo Ramirez pelos componentes descritos abaixo:
Daniel Alvaro Dutra. Email: [email protected]
Igor Barros Mayrinck Email: [email protected]
Marcos Eduardo Costa Jr. Email: [email protected]
Robinson Percy Holder. Email: [email protected]
Rodrigo da Silva Conhalato Email: [email protected].
Sandro Elisson da Silveira .Email: [email protected]
o diodo são constituídos de junções p-n, enquanto transistores
são constituídos de junções p-n-p ou n-p-n. Uma ênfase maior
sobre as junções será dada nas páginas seguintes. Altos níveis
de corrente através de qualquer dispositivo semicondutor
resultarão em altas temperaturas da junção. Apesar do silício
suportar altas temperaturas, as mudanças das características
com a temperatura podem resultar em um sistema instável.
Para o germânio, a temperatura máxima de operação varia
entre 85 a 100°C, enquanto para o silício ela varia entre 150 a
200°C (um dos motivos de se preferir o silício).
O dispositivo utilizando semicondutor mais importante é
sem dúvida nenhuma o transistor. Ele foi inventado pelos
norte-americanos membros do Laboratório Bell, John
Bardeen, Walter Brattain e Wiliian Shckley, em dezembro de
1947. A seguir se encontra uma gravura com as anotações
desses cientistas, que possibilitaram a invenção do transistor:
Com a descoberta das diversas potencialidades do transistor,
eles levaram o prêmio Nobel de Física, em 1956. O primeiro
uso do componente foi em equipamentos telefônicos, por
volta de 1950, amplificando o som e possibilitando melhor
qualidade na comunicação por fio. Nesta mesma época, o
dispositivo começou a ganhar os lares dos cidadãos comuns,
com a venda do primeiro rádio a base de transistor. Em 1959,
os físicos já agrupavam vários transistores num circuito
integrado em pastilhas de silício, formando o que conhecemos
hoje por chip. Este é o cérebro do computador moderno.
Agora, microprocessadores agregam milhões de transistores,
num quadrado eletrônico cada vez mais compacto. Um
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popular PC, por exemplo, possui cerca de 3,5 milhões destes
dispositivos.
II. PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO E FORMULAÇÃO
TEÓRICA
A junção PN, na qual o diodo semicondutor é
basicamente construído, consiste de um material
semicondutor como o silício, dopado com materiais que
possuem átomos trivalentes. Como o silício possui quatro
elétrons na última camada e tem uma tendência maior a
receber elétrons que um átomo trivalente, ele receberá estes
três elétrons e ficará aguardando receber um elétron para se
tornar estável. Por ter esta tendência a atrair elétrons, esta
ligação terá carga equivalente positiva. Este semicondutor
dopado com átomos trivalentes forma a região tipo-p da
junção, região esta com maior número de cargas positivas. A
outra região da junção possui um semicondutor, como o
silício dopado, com materiais que possuem átomos
pentavelentes. Os átomos pentavelentes atrairão os elétrons
da última camada do silício por terem uma tendência maior a
receber elétrons que o silício. Desta forma, os átomos
pentavelentes atrairão três elétrons do silício e ficarão
estáveis. No entanto, o silício terá ainda que doar um elétron
para ficar estável e por ter tendência a doar elétrons, esta
ligação terá carga equivalente negativa. Este semicondutor
dopado com átomos pentavalentes forma a região tipo-n da
junção, região esta com maior número de cargas negativas.
Os semicondutores tais como Si e Ge, assim como as
junções formadas por estes materiais apresentam redução da
resistência com o aumento da temperatura, pois uma mudança
na temperatura de um material semicondutor pode aumentar
consideravelmente o número de elétrons livres. Conforme a
temperatura aumenta em relação ao zero absoluto (0K), um
número crescente de elétrons de valência absorve energia
térmica suficiente para quebrar a ligação covalente e
contribuir para o aumento de portadores livres. O aumento do
número de portadores aumentará o índice de condutividade,
resultando numa resistência mais baixa. Estes materiais são
considerados materiais com coeficiente de temperatura
negativo. Ao contrário do que acontece com os condutores,
que possuem um coeficiente de temperatura positivo, ou seja,
a sua resistência aumenta com o aumento da temperatura.
Associados ao aumento de temperatura encontram-se, em
geral, dois efeitos: o aumento da energia cinética dos elétrons,
que eleva a densidade de elétrons livres disponíveis para
suportar o fenômeno da condução elétrica, e o aumento da
agitação térmica dos átomos, que, pelo contrário, reduz a
mobilidade das cargas elétricas. É a preponderância de um ou
outro que conduz à diferença de comportamentos manifestada
pelos materiais isolantes, semicondutores e condutores.
O que ocorre nos materiais isolantes e semicondutores é
que a sua resistividade diminui com o aumento da
temperatura, devido à predominância do aumento do número
de cargas livres sobre a degradação da mobilidade. Um
exemplo da diminuição da resistividade das junções com o
aumento da temperatura será dado abaixo através da junção
base-emissor do transistor.
No transistor, a tensão na junção base-emissor decresce
2mV para cada aumento de 1°C na temperatura.
A corrente no emissor varia de acordo com a seguinte
fórmula:
VBE
nV
iE = K * e T
onde K é uma propriedade do transistor que depende de Is
(corrente de saturação), VBE é a tensão base-emissor e VT é
conhecido como tensão térmica e é dado por:
VT =
kT
q
onde k é a constante de Boltzmann e q a carga eletrônica.
A tensão base-emissor será dada então por:
 iC 
VBE = nVT ln 
K
Como K é proporcional ao número de portadores, e esse
número aumenta com o aumento da temperatura dos
semicondutores, pois K=Is :
IS =
AEqDNni 2
NA W
Onde ni é a densidade de portadores intrínseco, NA é a
concentração de dopagem da base, Ae é a área da seção
transversal da junção base-emissor, Dn é a difusividade do
elétron na base e W é a largura efetiva da base.
Logo VBE diminuirá. Observe que VT também aumenta,
porém a função logarítmica faz com que ln(ic/K) decresça
mais assintosamente.
III. PARTE EXPERIMENTAL
A junção PN é formada dentro de um único cristal de
silício através da criação de regiões de dopagens diferentes. A
junção PN é também o elemento básico para os transistores
de junção bipolar (BJTs) e desempenham um papel
importante na operação dos transistores de efeito de campo
(FETs). Foi comprovado que Is (um parâmetro da junção)
varia de 8%/°C e 11%/°C para o germânio.
O desempenho de diodos comerciais é
aproximadamente consistente com esses resultados. A razão
para tal discrepância é que num diodo real existe uma
componente de saturação reversa devido à dispersão sobre a
superfície que não foi tomado em consideração na
determinação dos parâmetros acima.
De resultados experimentais temos que a corrente de
saturação reversa aumenta cerca de 7%/°C para tanto o silício
como para o germânio. Assim como se pode demonstrar a
corrente de saturação reversa dobra para a cada aumento de
10° C na temperatura.
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Segue-se um breve comentário sobre algumas aplicações
citadas acima:
Experimentos feitos em laboratório comprovam que a
variação na temperatura afeta as curvas características dos
componentes feitos de material semicondutor. A figura acima
mostra a influência de temperatura na região de condução.
Nela observa-se que com o aumento da temperatura a tensão
de polarização diminui numa faixa de 2 mV para cada grau
centígrado.
Numa análise mais profunda, temos que a temperatura afeta
também no efeito avalanche, como pode ser observado na
figura abaixo sendo que para este caso não se tem uma
relação coerente como na região de condução.
Circuitos Retificadores :
O circuito retificador utilizando diodos forma uma parte
essencial na construção de fontes de alimentação de tensão
DC; ele converte o sinal senoidal de entrada em um sinal de
saída unipolar, com uma componente média contínua não
nula . Existem vários tipos de retificadores : Retificador de
onda inteira, de meia onda, pontes retificadoras e
retificadores de pico .
Regulador de tensão :
O circuito do regulador de tensão tem por objetivo prover
uma tensão contínua de saída independente ao máximo da
variação da carga aplicada .
Um diodo polarizado diretamente pode realizar a função de
um simples regulador de tensão por exemplo. Um outro
exemplo é o uso do Diodo Zener funcionando como um
regulador Shunt.
Circuitos limitadores:
Limitadores são frequentemente referidos como “Clippers”,
e encontram aplicações numa variedade de sistemas de
processamento de sinais . Uma das mais simples aplicações é
na limitação da tensão nos terminais de entrada do AMP-OP
para um valor menor que a tensão de “Breakdown” dos
transistores que constituem o estágio de entrada do circuito
do AMP-OP . Diodos podem ser combinados com resistores
para formar simples circuitos que realizam a função de
limitadores.
Fotodiodos :
São usados para converter sinais de luz em sinais elétricos.
Fotodiodos sem polarização reversa funcionam como células
solares onde energia luminosa do sol é transformada em
energia elétrica .
LEDs :
Light-emitting Diode , tem o funcionamento contrário ao
fotodiodo , convertendo corrente direta em luz .
Encontram aplicações em numerosos tipos de displays.
Combinando um LED com um fotodiodonum mesmo pacote,
produz-se o que se chama de optoisoladores .
TRANSISTORES :
IV. APLICAÇÕES DE DIODOS E TRANSISTORES
DIODOS :
Das muitas aplicações do diodo , o seu uso no design de
circuitos retificadores é o mais comum. Entretanto existem
outras aplicações tais como a implementação de portas
lógicas executando funções booleanas, na regulação de tensão
onde usa-se diodos Zener polarizados diretamente,
chaveamento de sinais, circuitos limitadores, restauradores,
duplicadores de tensão, fotodiodos, LEDs e por fim
optoisoladores .
Dispositivos semicondutores de três terminais ; assim
defini-se os transistores ; são mais usados que os diodos que
possuem 2 terminais e encontram aplicação desde
amplificação de sinais até o design de lógica digital e
circuitos de memória .
Com base no princípio de funcionamento do transistor,
controlar a corrente de um terminal através da diferença de
tensão dos outros dois terminais ; pode-se construir uma fonte
controladora que por sua vez é a base de um amplificador.
Também com base neste princípio de funcionamento pode-se
usar o transistor para realizar o chaveamento de um circuito,
que é a base para a realização do inversor lógico que é o
elemento fundamental de circuitos digitais .
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Para a utilização do transistor como amplificador deve-se
usá-lo no modo ativo . Para aplicações de chaveamento ,
utiliza-se os outros dois modos do transistor , de saturação e
corte.
Com os transistores MOSFET (Metal-Oxide Semiconductor
Fiel Efect transistor) pode-se implementar lógica digital e
funções de memória (exemplo: microprocessadores e chips de
memória) . A tecnologia dos transistores MOS também é
utilizada no design de circuitos integrados analógicos e em
circuitos integrados que combinam circuitos analógicos e
digitais .
grande pesquisa e investimento nessa área, o que,
infelizmente, não se observa em todos os países.
Referências
[1]
[2]
[3]
V. INFLUÊNCIA DA TEMPERATURA NAS APLICAÇÕES
Poderia se pensar que o problema de temperatura é
facilmente contornável, bastando retirar o aparelho que
contenha semicondutores da região que se tem uma
temperatura diferente da sua temperatura de operação. É
viável fazer isto, por exemplo, em uma siderúrgica. Um
aparelho de medição de temperatura eletrônico pode ficar a
dezenas de metros de distância de um alto-forno que opera a
altas temperaturas somente recebendo os sinais de um sensor,
sem que a alta temperatura do alto-forno o afete. Mas há
situações que isto se torna inviável. A NASA não tem como
mandar um robô para Marte, onde a temperatura é mais baixa
que na Terra, e deixar os semicondutores que fazem parte de
seu circuito eletrônico aqui na terra. Outro exemplo são robôs
que são usados em perfuração submarina: a temperatura a
quilômetros de distância da superfície é muito baixa. Nestes
dois casos citados acima, a variação de temperatura deve ser
levada em conta nos cálculos do projeto para que os
dispositivos que contenham semicondutores funcionem
normalmente.
Os dois exemplos citados acima são casos extremos, mas a
influência da temperatura no comportamento dos
semicondutores afeta o dia-a-dia das pessoas. Aparelhos
eletrônicos operam de forma tal que a mudança de milésimos
de volts em um de seus milhares de transistores muda
completamente o funcionamento do mesmo. Desta forma, um
celular produzido para funcionar em um país nórdico como a
Finlândia não funcionará em países tropicais como o Brasil.
Entre estes países observa-se uma variação de temperatura
média 30°C o que ocasionaria uma variação de tensão de
60mV, uma variação de tensão desta magnitude
comprometeria gravemente o funcionamento do aparelho.
Este fato faz com que as empresas não apenas adaptem seus
aparelhos ao clima em que o mesmo será utilizado, como
também no caso de aparelhos de alta precisão produzam estes
aparelhos na região em que o mesmo será utilizado.
VI. CONCLUSÕES E OBSERVAÇÕES
Criar condições para reduzir os efeitos da temperatura em
semicondutores
é motivo de estudo em grandes centros
acadêmicos e científicos. Tal redução ampliará ainda mais a
já impressionante utilidade deste material e proporcionará
grandes avanços tecnológicos. Isto só será possível se houver
[4]
S. M. Sze, "Physics Semicondutor Devices" Phil. Trans. Roy. Soc.
London, vol. A247, pp. 529-551, Apr. 1955.
Adel. S. Sedra and K. C. Smith, "Microelectronic Circuits,", vol. 4,
Eds. Oxford University Press, 1998, pp. 137-332.
M. Jacob, and C. H. Christos, "Integrated Electronics - Analog and
Digital Circuits and Systems", 1972, pp. 60-61; .
Sites da internet