Eletrônica básica - Introdução
Prof. Luiz Marcelo Chiesse da Silva
ELETRÔNICA BÁSICA
1.INTRODUÇÃO
A eletrônica surgiu em meados de 1950, com a descoberta por pesquisadores dos
laboratórios da empresa Bell, nos Estados Unidos, de um componente obtido da mistura
controlada de elementos semicondutores (que possuem características elétricas entre os
elementos condutores e os elementos não condutores). Esta descoberta deu origem a
diversos componentes elétricos, capazes de “controlar” a corrente e tensão elétrica de forma
diferente dos componentes elétricos usuais, como resistências, indutores e capacitores.
Estes componentes são estudados até hoje, e deles são criados novos dispositivos
que por apresentarem um comportamento elétrico diferente são chamados de eletrônicos.
Atualmente, podemos dividir o estudo da eletrônica em:
• básica;
• analógica;
• digital;
• de potência.
A eletrônica básica estuda o princípio de funcionamento dos materiais
semicondutores e os componentes eletrônicos básicos: o diodo e o transistor. Na eletrônica
digital e analógica, estuda-se o transistor na geração dos sinais de tensão digitais e
analógicos, assim como os respectivos circuitos, são estudados. A eletrônica de potência
compreende dispositivos eletrônicos especiais fabricados para o controle de grandes
capacidades de corrente, tensão e potência.
1.1.SEMICONDUTORES
O início da eletrônica se deu com a pesquisa e criação de materiais que possuiam
características elétricas especiais em relação ao modo como controlavam a condução da
corrente elétrica. Estes materiais, designados semicondutores, são a base de todos os
dispositivos eletrônicos fabricados.
Os elementos semicondutores são aqueles que possuem características elétricas que
se situam entre os elementos condutores e os não condutores. Na tabela períodica,
podemos observar que os elementos condutores são aqueles que apresentam na última
camada da eletrosfera, também chamada de camada de valência, poucos elétrons. Estes
elétrons são chamados de elétrons livres porque são retirados do átomo facilmente, com
pouca energia, facilitando a condução elétrica. Como exemplo, o átomo de cobre:
1 elétron na
última camada
Aplicando-se energia a um material condutor, os elétrons da última camada dos
átomos adquirem energia para passar para o átomo vizinho, e o elétron do átomo vizinho
locomove-se para o próximo átomo, originando uma reação em cadeia: a corrente elétrica.
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Os elementos semicondutores, na tabela periódica, também situam-se entre os
condutores e os não condutores. Os principais elementos semicondutores que formam os
materiais utilizados atualmente na eletrônica são o Silício (Si) e o Germânio (Ge).
Si
Na forma natural, um pedaço de silício puro encontra-se na forma de cristal, porque
seus átomos formam uma estrutura geométrica através de ligações covalentes entre eles: na
camada de valência de um átomo de Silício encontram-se quatro elétrons, que são
compartilhados com quatro átomos vizinhos . Assim, no cristal de silício, cada átomo possui
na útima camada eletrônica oito elétrons: quatro elétrons do próprio átomo + quatro elétrons
dos átomos vizinhos, como na representação da figura abaixo.
elétron
compartilhado
O cristal de silício puro é considerado não condutor, porque não existem elétrons
livres para se locomoverem. Um meio encontrado para melhorar esta característica foi a
introdução ou retirada de elétrons da estrutura do cristal, misturando-se outros elementos,
de modo a criar elétrons livres. Este processo chama-se dopagem a “mistura” controlada de
outros materiais ao cristal de silício ou germânio.
1.2.DOPAGEM
Como o átomo de silício possui quatro elétrons na última camada, para originar
elétrons livres é inserido na estrutura do cristal um elemento que possui cinco elétrons na
camada de valência, ou seja, mistura-se um elemento pentavalente com o silício/germânio,
que é tetravalente. Do mesmo modo pode-se inserir um elemento no cristal de silício que
possua três elétrons na camada de valência, originando a falta de um elétron nas ligações
covalentes (criando uma carga elétrica equivalente à do elétron, mas positiva). A esta
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mistura chamamos de dopagem, porque deve ser feita com as duas substâncias puras e
como a outra substância combinada com o silício/germânio está presente em menor
quantidade no cristal, ela comporta-se como uma impureza. Na tabela periódica,
observamos exemplos de elementos que podemos inserir entre os átomos do cristal de
silício:
- trivalentes: alumínio, boro, gálio;
- pentavalentes: arsênio, antimônio, fósforo.
Na figura abaixo temos a representação de um átomo de fósforo entre os átomos de
um cristal de silício.
elétron
extra
P
Por ser um elemento pentavalente, o átomo de fósforo forma ligações com os átomos
de silício vizinhos, mas dos cinco elétrons da camada de valência do átomo de fósforo,
quatro formam ligações covalentes com os elétrons do silício. O elétron restante será um
elétron livre do composto. Como os elementos pentavalentes comportam-se desta forma na
dopagem, “doando” um elétron, eles são chamados de impurezas doadoras.
Este novo composto forma um cristal semicondutor formado pelo silício (ou germânio)
dopado com um elemento pentavalente, o qual é chamado de cristal semicondutor tipo
“N”, porque possui cargas elétricas negativas (dos elétrons livres) a mais.
Agora observemos um cristal de silício/germânio, dopado com uma substância
trivalente, como o boro, cujos átomos estão representados abaixo:
lacuna
B
Ao contrário do cristal semicondutor tipo “N”, neste novo composto falta um elétron
nas ligações covalentes do átomo trivalente com os átomos de silício. A falta deste elétron
cria o que é chamado de lacuna (um “local” deixado pelo elétron). A lacuna comporta-se
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como uma carga elétrica semelhante ao elétron, mas positiva (de sinal oposto). Ao
aplicarmos energia a um cristal deste tipo, surgem dois tipos de corrente elétrica: uma
gerada normalmente pelos elétrons e outra gerada em sentido contrário pelas lacunas, que
são ocupadas pelos elétrons, surgindo novos locais vagos (outras lacunas). Esta reação em
cadeia gera um movimento semelhante a corrente elétrica, mas de cargas positivas em vez
de negativas.
O elemento trivalente na dopagem é chamado de impureza aceitadora, porque em
relação ao silício, tem um elétron a menos. O cristal de silício/germânio dopado com uma
substância trivalente é chamado de cristal semicondutor tipo “P”, pois tem cargas
positivas (lacunas) geradas pela falta de elétrons em sua estrutura.
Para que o processo acima ocorra, as duas substâncias, o silício e o elemento
pentavalente ou trivalente, enquanto matéria-prima, devem passar por um tratamento
adequado para a purificação e para que ocorra uma combinação adequada entre os dois
materiais.
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