Elétro Eletrônica - Princípio dos Semicondutores

Elétro EletrônicaPrincípio dos Semicondutores

Introdução Por volta de 1904 surgiu a primeira

válvula intitulada de válvula a diodo. Essa válvula propiciou um grande avanço na criação de outros circuitos e dispositivos e favoreceu grandes descobertas na época.

Ela foi muito utilizada até meados da década de 80 do século XX, e até hoje é possível vê-las em rádios e telefisores antigos.

Introdução Elas ainda são muito eficazes em

equipamentos eletrônicos de telecomunicação que trabalham em altas frequências.

Essse dispositivo possui dois terminias devidamente inseridos em um invólucro de vidro denominados de cátodo e ânodo.

Introdução O cátodo é o eletrodo negativo, e o

ânodo é o positivo. Aplicando-se uma tensão elétrica aos dois eletrodos, os elétrons que são emitidos pelo cátodo aquecido dirigem-se para o ânodo.

Posteriormente em torno de 1906, DeForest inventou a válvula a triodo, que possui um terceiro terminal chamado de grade.

Introdução Este terceiro terminal chamado de

grade, proporcional um controle da energia por meio da aplicação dos valores de tensão e/ou de corrente.

Dessa forma, as válvulas triodo eram utilizadas como dispositivos amplificadores, que proporcionam sinais mais “fortes”, o que não era possível com a utilização das válvulas diodo.

Introdução Graças às válvulas diodo e triodo a

tecnologia na transmissão sem fio (radiotransmissão) tornou-se realidade, e a partir daí buscou-se melhorar o desempenho do circuitoe, para isso, foi necessário desenvolver uma tecnologia para aperfeiçoar os dispositivos.

Tanto as válvulas diodo quanto as válvulas triodo, contudo, apresentam algumas desvantagens, tais como:

Introdução Ocupam muito espaço devido ao tamnho

relativamente grande. Aquecem excessivamente, dissipando alta

quantidade de energia na forma de calor devido ao aquecimento dos filamentos.

Apresentam baixa vida útil e são pouco confiáveis.

Introdução Devido às desvantagens inerentes a essas

válvulas, houve grande necessidade de aperfeiçoamento na tecnologia de fabricação dos componentes eletrônicos.

Na década de 20 do século XX, cientistas começaram estudos mais aprofundados da química e física dos semicondutores, mas osmente na década de 40 é que surgiu o diodo semicondutor propriamente dito.

Introdução Isso aconteceu graças às grandes evouções

ocorridas na física dos semicondutores que investiga a estrutura, as propriedades e o comportamento elétrico destes.

Logo após a invenção do diodo, surgiu o transistor semicondutor, substituindo a válvula triodo, e outros dispositivos foram atuomaticamente criados a partir da necessidade dos novos aparelhos eletrônicos.

Introdução Várias são as vantagens na utilização

dos diodos e transistores semicondutores em comparação com as válvulas, podendo-se destacar: Ocupam espaço Reduzido. Dissipam pouca energia. São Mais robustos e confiáveis.

Introdução Entre muitas outras aplicações, a

eletrônica pode ser udada para: Transmissão de sinais em tempo real; Desenvolvimento de equipamentos

bélico; Desenvolvimento de sismtesmas de

controle confiáveis; Salvar vidas, diagnosticar doenças e

desenvolver métodos de cura; Servir ao lazer das pessoas.

Introdução Os dispositivos eletrônicos, tais como

diodos, transistores e circuitos integrados são feitos de materiais semicondutores, geralmente o silício.

Para entender como esses dispositivos trabalham, deve-se ter conhecimento básico da estrutura atômica do átomo e da interação entre as partículas atômicas.

Introdução Um conceito importante, é a junção P-N

é fundamental para a compreenção do princípio de funcionamento de determinados componentes, tais como o diodo e certos tipos de transistores.

Estrutura Atômica Um átomo é a estrutura fundamental de

cada elemento químico. De acordo com o modelo atômico de Bohr, o átomo é dividido em duas partes: o núcleo e a eletrosfera.

Estrutura Atômica Todo átomo tem um número caractérístico

de prótons e elétrons, e esse número difere de acordo com cada átomo.

O átomo mais simples é o de hidrogênio, que tem um próton e um elétron.

Outro exemplo é o átomo de hélio, que possui dois prótons e dois nêutrons no núcleo e dois elétrons que circulam nas órbinas ao redor do núcleo.

Estrutura Atômica Número Atômico

Em um átomo eletricamente balanceado, o número atômico é igual ao número de prótons no núcleo e ao de elêtrons distribuidos na eletrosfera (órbitas). O hidrogênio, por exemplo, tem um número atômico igual a 1, e o hélio tem o número atômico igual a 2.

Estrutura Atômica Em seu estado fundamental todos os

átomos de um dado elemento tem o mesmo número de prótons e elétrons.

Os efeitos das cargas positivas cancelam os efeitos das cargas negativas, e o átomo tem uma carga líquida nula.

Estrutura Atômica Camadas e Órbias dos Elétrons

Os elétrons giram em torno do núcleo em distâncias pré-definidas. Aqueles mais próximos dos núcleo possuem menor energiado que os que estão em órbitas mais distantes.

Assim quanto maior a energia do elétron maior será o raio de sua órbita, ou seja:

Q > P > O > N > M > L> K

Estrutura Atômica Portanto, a energia de um elétron

localizado na camada Q é maior do que a energia de um elétron na camada P.

Os elétrons são divididos em camadas, e cada uma delas corresponde a um determinado nível de energia.

Geralmente, essas camadas são indicadas pelas letras K, L, M, N, O, P e Q.

E cada nível de energia pode conter um número máximo de elétrons.Níveis de energia K L M N O P Q

Número máximo de elétrons

2 8 18 32 32 18 2

Estrutura Atômica Elétrons de Valência

Os elétrons mais distantes do núcleo são os que possuem mais energia. Isso ocorre porque há uma força de atração entre o núcleo, positivamente carrega, e o elétron carregado com carga negativa.

Essa força de atração diminui à medida que essa distância aumenta.

Assim, os elétrons com mais energia estão localizados nas camadas mais externas.

Estrutura Atômica Isso significa que estes elétrons são

fracamente ligados ao átomo e apresentam maior facilidade de se tornarem elétrons livres.

Essa camada ou órbita mais externa é denomidadda camada de valência, e os elêtrons localizados nela são também chamados de elétrons de valência.

Estrutura Atômica Esses elétrons são os únicos que

contribuem com as ligações e reações químicas dentro da estrutura do material e determinam suas propriedades elétricas.

Os elétrons que estaão na banda de valência têm mais facilidade para sair do átomo quando recebem um acréscimo de nergia, sob forma de luz ou calor.

Estrutura Atômica Ao receberem esse acréscimo de energia,

os elétrons tornam-se livres, saem da banda de valência e dirigem-se à banda de condução, na qual foram a corrente sob a ação de um campo elétrico.

Estrutura Atômica Ionização

Quando um átomo absorve energia, na forma de luz ou calor, a energia dos elétrons aumenta.

Isso faz com que os elétrons de valência tenham mais energia e estejam mais fracamente ligados ao átomo do que os elétrons localizados nas camadas internas.

Estrutura Atômica Assim, eles podem facilmente saltar para

órbitas externas quando há uma absorção de energia externa.

Se um elétron de valência adquirir energia suficiente ele realmente pode escapar da camada externa e da influência do átomo.

A ausência do elétron de valência faz com que o átomo fique com excesso de carga positiva.

Estrutura Atômica Esse processo de perder um elétron de

valência é chamado de ionização, e o íon positivamente carregado é chamdao de íon positivo.

Quando o átomo ganha ou recebe um ou mais elétrons, resulta em um sistema eletricamente negativo, em que o número de prótons é menor do que o número de elétrons, formando os íons negativos.

Estrutura Atômica Todas as camadas de um átomo,

obrigatoriamente, deverão ser preenchidas.

Semicondutores, Condutores e Isolantes Se ligarmos um pedaço de fio de cobre

ou de alumínio a uma bateria, os elétrons livres são atraídos pelo polo positivo da bateria.

Com isso, esses elétrons abandonam certa região do fio, dando lugar a novos elétrons, que são fornecidos pelo polo negativo da bateria.

Semicondutores, Condutores e Isolantes Nesta imagem podemos ver a condução

nos materiais condutores, semicondutores e isolantes.

Semicondutores, Condutores e Isolantes Portanto, de acordo com suas

propriedades elétricas, os materiais podem ser classificados em três grandes grupos: Condutores Semicondutores Isolantes.

Semicondutores, Condutores e Isolantes Materiais condutores

Um material é dito condutor quando apresenta baixa resistividade e, portanto, conduz corrente elétrica com facilidade.

Cobre, ouro, prata e o alumínio, são exemplos de matreiais condutores.

Semicondutores, Condutores e Isolantes Materiais Isolantes

Em um material isolante, a resistividade é alta e, portanto, não conduz corrente elétrica sob condições normais de operação.

A maioria dos isolantes é feita apartir de uma mistura de vários materiais, e não por um únivo elemento.

Borracha, plastico, materiais cerâmicos produzidos através do vidro temperado, óleo e silicone.

Semicondutores, Condutores e Isolantes Materiais Semicondutores

Os materiais semicondutores podem ser sólidos ou líquidos e capazes de mudar com facilidade a sua condição de isolante para a de condutor.

Em termos de condutividade, os semicondutores são intermediários, ou seja, não são bons condutores nem são bons isolantes, apresentando capacidade intermediária de condução de corrente elétrica.

Semicondutores, Condutores e Isolantes Materiais Semicondutores

Em baixas temperaturas os semicondutores puros comportam-se como isolantes.

Sob temperaturas mais altas, ou com a adição de luz, calor ou impurezas químicas, sua condutividade pode ser drasticamente aumentada, podendo-se alcançar níveis que se aproximam dos metais.

Semicondutores, Condutores e Isolantes Materiais Semicondutores

Os tipos mais comuns de materiais semicondutores são o silício, o germânio e o carbono dos metais.

Geralmente, os materiais semicondutores têm quatro elétrons na camada de valência.

Semicondutores, Condutores e Isolantes Efeito da tempreratura nos

Materiais Condutores e Semicondutores

Níveis de Energia Elétrons para os Átomo de

Materiais Semicondutores e Condutores

Estruturas Atômicas do Silício e do Germânio

Ligações Covalentes Quando os átomos de silício se

combinam para formar um material sólido, eles organizam-se de forma ordenada (simétrica) originando o cristal.

Condução Elétrica nos Semicondutores A forma como um material

semicondutor conduz corrente elétrica é importante para entender como os dispositivos eletrônicos funcionam.

Não se pode entender como dispositivos como diodos e transistores funcionam sem, antes, compreender os mecanismos de produção de corrente.

Condução Elétrica nos Semicondutores Os elétrons de um átomo estão

presentes apenas em determinados níveis de energia.

Cada camada em torno do núcleo corresponde a uma determinada banda de energia e são devidamente separadas por regiões proibidas em que não há a circulação de elétrons.