ESCOLA POLITCNICA DE MINAS GERAIS VITAL BRASIL. ELETRONICA PARA O CURSO TECNICO MECATRONICA FSICA DOS SEMICONDUTORES E DISPOSITIVOS. PRIMEIRO BIMESTRE PROF. CENILIO 2 POLIMIG VITAL BRASIL 01 de janeiro 2011 Materiais semicondutores trstiposametais de caractersticasisolantes,metaisbonsconduto-res de eletricidade e os semimetais semicondu-tores.Osdispositivoseletrnicosmodernos diodostransistoresecircuitosintegradosEs-teselementosespeciais,chamadosdesemi-condutores, especialmente o germnio e o sil-cio.Comoonomesugere,umsemicondutor noumbomcondutordecorrenteeltrica nem um isolante. Contudo, no a capacidade de conduzir ou de isolar uma corrente que torna os semicondutores to teis. FSICADOSSEMICONDU-TORES E DISPOSITIVOS. 3 INTRODUO Materiais semicondutores Os elementos qumicos se dividem logicamente em trs tiposametaisde caractersticas isolantes,metaisbonscondutoresdeeletricidadeeossemimetaisdecaractersticasintermediarias. Ou seja, semicondutores Os dispositivos eletrnicos modernos diodos transistores e circuitos integrados Estes elementos especiais, chamados de semicondutores, especialmente o germnio e o silcio. Como o nome sugere, umsemicondutor no um bom condutor de corrente eltrica nem um isolante. Contudo, no a capacidade de conduzir ou de isolar uma corrente que tor-na os semicondutores to teis. Em vez disso, a capacidade de formar cristais com pro-priedades eltricas especiais que os torna to valiosos. O material silcio o elemento mais utilizado e a seguir vem o germnio. Paraentendermosesteselementosvamosrecorrerateoriaeletrnicadossemiconduto-res Constituio da matria Assubstnciasencontradasnanaturezasejamdasslidasliquidasougasosas,so constitudas por um aglomerado de minsculas partculas chamadas molculas. A molcula e a menor parte em que pode se dividir a matria sem sofrer alteraes. Sedividiramolcula,encontraseotomoquenomaisconservaaspropriedadesda matria. Voc j sabe alguma coisa sobre tomos, eltrons prtons e nutrons. Est seo ampliar ainda mais seu conhecimento. Voc ver como os tomos de silcio se combinam para formarnovos cristais (esqueleto dos dispositivos semicondutores). TOMO O tomo a menor partcula que compe a molcula. O tomo composto de eltrons, prton e nutron (prtons e nutrons compem o ncleo do tomo). Prtons positivos. Eltrons negativos. Os eltrons apresentam em nveis de energia a partir do ncleo em sete camadas Sendo que o nmero mximo de eltrons por camada : 4 De acordo com a teoria do octeto, os elementos adquirem estabilidade qumica ao assu-mirem a configurao de u gs nobre, isto ; 8 eltrons na camada de Valencia. A ltima camada tambm chamada camada de valncia tem 08 eltrons quando comple-ta. nicos elementos que possuem esta camada completa so os gases nobres Otomo considerado estvel quando apresenta esta camada completa. Ligaes Qumicas A maneira pela qual os tomos se unem para formar a molcula recebe o nome de liga-o. Um tomo poder receber ou ceder eltrons. Quando ganha um ou mais eltrons fica negativo on negativo Quando doa fica um tomo positivo Tipos de ligaes Qumicas. Valncia Covalnciaquandoostomosusamemsociedade seus eltrons Eletrovalnciaostomosdoadefinitivamenteumel-tron ao vizinho. Cristal = Substncia pura CONDUTORES

Condutoressoelementosquepossuemeltrons livresemgrandequantidadedentrodasuaestruturaese locomovecomaaplicaodeumpotencialexterno.(cobre ouroalumnio),metaisemgeral.Aestruturaatmicados condutores permite que os eltrons da ltima camada movimentem-se facilmente com um mnimodeoposio. Emgeralosbonscondutorespossuemapenas1eltronnaltima rbita ou camada de valncia ISOLANTES. Isolantes so elementos onde os eltrons esto presos em suas ligaes, mesmo com a aplicao de um potencial eltrico no selocomove Um material cujos tomos tendem a permanecer em suas camadas de valncia so denominados isolantes porque no podem 5 conduzir corrente eltrica com facilidade. No entanto, os isolantes so capazes de arma-zenar eletricidade melhor do que os condutores. Materiais como mica, vidro, borracha, papel, etc. so tambm denominadosdiel-tricos, muito utilizados na fabricao de capacitores. Desta forma, os isolantes so muito teis quando se deseja bloquear a passagem de corrente. SEMICONDUTORESOs semicondutores sem qualquer sombra de dvida revolucionaram a tecnologia dos cir-cuitos eletrnicos, por se tratarem de dispositivos de pequenas dimenses aliadas a uma operao eficiente e confivel. So elementos cuja resistncia situa-se entre a dos condutores e a dosisolantes. (silcio (si) germnio. (ge)). Os semicondutores sem qualquer sombra de dvida revolucionaram a tecnologia dos circuitos eletrnicos, por se tratarem de dispositivos de pequenas dimen-ses aliadas a uma operao eficiente e confivel. Osilcioemestadopuroapresentasobformacristalina,significandoqueseustomos acham-se dispostos uniformemente em uma configurao peridica. A tabela a seguir mostra alguns tipos de condutores e semicondutores. GRUPO ELEMENTO SMBO-LO NA-TMICO ELTRON DEVALN-CIA Metais conduto-res,em ordemde condutn-cia Prata Cobre Ouro Alumnio Ferro Ag Cu Au Al Fe 47 29 79 13 26 +1 +1 +1 +3 +2 Semicon-dutores Carbono Silcio Germnio C Si Ge 6 14 32 4 4 4 Gasesati-vos Hidrognio Oxignio H O 1 8 1 -2 Gasesi-nertes Hlio Neon He Ne 2 10 0 0 ADENDO 1 UNIDADES DAS GRANDEZAS FUNDAMENTAIS. GRANDEZAUNIDADEFUNDAMEN-TAL SMBOLO ComprimentoMetroM MassaQuilogramaKg 6 TempoSegundoS Corrente eltricaAmpreA temperaturaKelvinK Termodinmica Intensidade luminosaCandelacd Quantidade de matriaMolmol GRANDEZAUNIDADEFUNDAMEN-TAL SIMBOLO ngulo planoRadianoRad ngulo slidoEsfereorradianosr Outras unidades usuais podem ser deduzidas apartirde unidades fundamentais e das unidades suplementares (O Coulomb deduzido das fundamentais segundo e amp-re) GRANDEZAUNIDADESIMBOLO EnergiaJouleJ ForaNewtonN PotenciaWattW Carga eltricaCoulombC Tenso eltricaVoltV Condutncia eltricaSiemensS Indutncia eltricaHenryH FreqnciaHertzHz Fluxo magnticoWeberWb Densidade de fluxo magntico.TeslaT Resistncia eltricaOHM O Prefixosmbolo valorpotencia 10 hexa Peta tera giga mega kilo hecto E P T G M K h 100 000 000 000 000 000 1 00 000 000 000 000 1000 000 000 0001000 000 000 1 000 000 1 000 100 1018 1015 1012 109 106 103 102 7 deca deci centi mili micro nano pico fento atto da d c m u n p f a 10 0,1 0,01 0.001 0.000 001 0.000 000 001 0,000 000 000 001 0.000000000000001 101 10-1 10-2 10-3 10-6 10-9 10-12 10-15 10-18 POTNCIA DE 10 Jvimosquefreqentementenecessrioconverterumaunidadedemedida em outra unidade que pode ser maior ou menor. Muitas vezes nos referimos s potncias de 10 como notao de Engenheiro. Regra 1.Para escrever um nmaior que 1 na forma de um npequeno, vezes uma potencia10,deslocamavrgulaparaaesquerdatantosalgarismosdesejados.Ase-guir multiplica o npr 10 elevado a uma potncia igual ao nmero de casas deslo-cadas. Ex 3,000 = 3000,(A vrgula deslocada trs casas para a esquerda) = 3 x 103(Portanto, a potncia ou o expoente 3) 6,500 = 65,00(A vrgula deslocada duas casas para a esquerda) = 65 x 102(Portanto, o expoente 2) 880,000 = 88,0000(A vrgula deslocada quatro casas para a esquerda) = 88 x 104 (Isto , o expoente 4) 42,56 = 4,256(A vrgula deslocada uma casa para a esquerda) = 4,256 x 10(Portanto, o expoente 1) Regra 2 Para converter nsmenor do que 1 com um n inteiro vezes uma potncia de 10 desloca-se vrgula para a direita. A seguir multiplica-se o n pr 10 e elevado a uma potncia negativa. Ex0,006 = 0006,(A vrgula deslocada trs casas para a direita) = 6 x 10-3(Portanto, a potncia ou o expoente 3) 0,435 = 04,35(A vrgula deslocada uma casa para a direita) = 4,35 x 10-1(Portanto, o expoente 1) 0,00092 = 000092,(A vrgula deslocada cinco casas para a direita) = 92 x 10-5(Isto , o expoente 5) 8 Regra 3 Para converter um n expresso em potncia positiva de 10, em um n deci-mal desloca-se casa decimal para a direita tantas casas ou posies igual ao valor do expoente. Ex0,615 x 103 = 0615,(O expoente 3. Portanto, desloca-se a vrgula trs casas para direita) = 615 0,615 x 106 = 0615000 (Desloca-se a vrgula trs casas para a direita) = 615000 0,0049 x 103 = 0004,9 (Desloca-se a vrgula trs casas para direita) = 4,9 84 x 102 = 8400,(Desloca-se a vrgula duas casas para direita) = 8400 Regra4Paraconverterumnexpressoempotencialnegativade10numninteiro decimal, desloca-se vrgula para a esquerda tantas casas o valor do expoente. Ex 70 x 10-3 = 0,070(O expoente 3. Portanto, desloca-se a vrgula trs casas para esquerda) = 0,07 82,4 x 10-2 = 0,824 (Desloca-se a vrgula seis casas para a esquerda) = 0,824 60000 x 10-6 = 0,060000(Desloca-se a vrgula seis casas para a esquerda) = 0,06 0,5 x 10-3 = 0,0005(Desloca-se a vrgula trs casas para esquerda) = 0,0005 Regra 5 Para multiplicar dois n expressos em potncia de 10 multiplica-se os coefi-cientes e somam-se os expoentes. Ex 102 x 104 = 102+4 = 106 10-1 x 104 = 10-1+4 = 103 (40 x 104)(25 x 102) = 40 x 25 x 103 x 102(40 x 25 = 10000 e 2 + 3 = 5) logo temos:= 1000 x 105(mas 1000 = 103) 9 = 103 x 105 = 108 (2 x 10-2)(50 x 102) = 2 x 50 x 10-2 x 102 = 100 x 100 (mas 100 = 102) = 102 x 1 = 102 (3 x 10-4)(6 x 106)= 3 x 6 x 10-4 x 106 = 18 x 102 Regra 6 Para dividir usa-se a formula. 1/10n = 1x10-n onde n, o valor do expoente. Podemos assim mover qualquer potncia de 10 do numerador para o denominador ou vice-versa simplesmente mudando-se o sinal do expoente. 150 10 15101511= =x15 , 0 10 150010150044= =x 15000 10 15101533= =x 100 10 0 , 1104 25 , 022= =xx ELETRICIDADE O homem consegue, hoje dominar perfeitamente a eletricidade. Consegue ger-la em grandes quantidades transport-la atravs de fios ou cabos por distncias enor-mes. Usamos a eletricidade em uma grande quantidade de aplicaes sem nos preocupar-mos com sua natureza ou origem. Mas o que eletricidade? Todooefeitodaeletricidadeestemumapartculaminsculachamadael-tron. O Eltron a unidade de carga eltrica.Para lhe dar uma idia melhor do que um eltron teremos que recorrer a teo-ria eletrnica. MATRIA E SUBSTNCIA. A matria algo que possui massa e ocupa lugar no espao tudo aquilo que constitui todos os corpos e pode ser percebido por qualquer um dos nossos sentidos. A ela se relaciona com uma variedade grande de coisas. Cada tipo particular de mat-ria uma substncia. E, portanto, existem milhares de substncias diferentes. 10 MOLCULAS E TOMOS. Qualquersubstnciaformadaporpartculasmuitssimaspequenaseinvis-veischamadas molculas. A molcula a menor parte em que se pode dividir uma substncia, e que apresenta toda a caracterstica da mesma. As molculas so constitudas de tomos. O numero de tomos que compem uma molcula varia de acordo com a substncia. Estrutura de um tomo. Fig. 1-11 Um tomo constitudo de partculas subatmicas(eltrons,prtons e nutrons) um ncleo central, que contm prtons e nutrons e em torno giram os eltrons. 13 P K L M2 8 3 3 eltrons numa camada in-completa de 18 eltrons. Camada eletrnica completa Camada eletrnica completa 11 Ostomosdeumamolculapodemseriguaisouno,seiguais,umamolcula simples. Ex. (ferro cobre alumnio). Quando diferentes, uma substncia composta. Ex. (gua, cidos). Atualmente so conhecidos mais de 103 tomos diferentes. Para nosso estudo inicial, importante que noesqueam:O prton tem carga positivaEltrontem carga negativa.Nutron no tem carga. ESTRUTURA DO CRISTAL A figura abaixo ilustra um bloco de silcio onde seus tomos estoligados em co-valnciadetalformaaformarumatreliacristalinapura,compartilhandoseuseltrons de valncia. Cada rbita possui um nmero mximo de eltrons, determinando assim as caractersticas do elemento. A tabela abaixo mostra as rbitas de um tomo e aquantidade mxima de eltrons por rbita. RBITAOU CAMADA NMXIMODEEL-TRONS K2 L8 M8 ou 18 N8, 18 ou 32 O8 ou 18 P8 ou 18 Q8 Pode senotar que ambos possuem em sua camada de valncia quatro eltrons. tomos com 8 eltrons na ltima camada apresentam uma configurao estvel, isto , no tendem a doar e nem re-cebereltronsanoseremcondiesespeciaiscomo calor, luz, campo eltrico, etc RESUMINDO: 12 tomos estveis: so tomos com a ltima camada saturada; tomo quimicamente ativo: so tomos que no possuem a ltima camada saturada; Eltrons de valncia: so os eltrons da ltima camada ou rbita de um tomo; Eltrons livres: so os eltrons que participam da corrente eletrnica. NVEIS DE ENERGIA Voc precisa imaginar que um eltron pode percorrer uma rbita de qualquer raio, desde quesuavelocidadetenhavalorcerto.Poroutrolado,aFsicaModernaafirmaqueso-mente certas dimenses de rbitas so permitidas.Lacunas. Oseltronslivressocapazesdeproduzircorrentes altas.Com aaplicaodeumae-nergia externa a um cristal, fora os eltrons a deslocar-se deixando uma lacuna. Ou se-ja,quando um Eltron elevado para um nvel de energia mais alto deixa uma lacuna. RECOMBINAO.O desaparecimento de um eltron livre e de uma lacuna chamado de recombinao a-contece sempre no semicondutor DOPAGEM oprocessoparaintroduzirtomosdeImpurezasemumcristalpurodeSilcio(Si)ou Germnio (Ge) para aumentar tanto o numera de eltrons como de lacunas. A finalidade dadopagemaumentaraquantidadedecargaslivres(positivasounegativas),quepo-dem mover-se mediante uma tenso externaOprocessodedopagememumcristalin-trnseco cria no mesmo cargas livres (eltrons ou lacunas), dependendo do tipo de impu-rezausadanoprocesso;apsadopagemocristalintrnsecorecebeonomedecristal extrnseco. No processo de dopagem so utilizadas impurezas do tipo trivalente e pentavalen-te; as impurezas trivalentes possuem 3 eltrons de valncia e as pentavalentes 5 eltrons de valncia. IMPUREZAS Entende-se por impureza todo elemento que no seja Si ou Ge (alumnio Borio, etc.) Quando o cristal puro chamado de semicondutor Intrnseco Quando dopado Semicondutor Extrnseco. ELEMENTOS TRIVALENTES Entendeportrivalentetodoelementoquepossuitrseltronsnasuaultimacamadade valncia. diminuindo o nmero de eltrons livres o semicondutor torna-se do tipo P Desta forma no semicondutor dopado do tipo P prevalecem as cargas positivas. 13 FORMAO DOS ELEMENTOS DO TIPO N e P. Formao do elemento do tipo P ParaformaodomaterialdotipoP,adicionada uma impureza trivalente no material de Si ou de Ge deixando-os com falta de eltrons tornando-os posi-tivos.(alumnio). FORMAODOELEMENTODOTIPO N. ELEMENTOS PENTAVALENTES. Entende-seporpentavalentetodoele-mentoquepossuicincoeltronsemsua ultima camada ds valncia O processo semelhante ao anterior me-nosnaimpurezaquedeveserpentava-lente (fsforo), se no Si ou no Gefor introduzida uma impureza pentavalente a formao de um cristal tipo N pode ser visualizada conforme a figura ao lado. Os elementos que atravs do processo de dopagem fornecem eltrons so denominados doadores. Os elementos que atravs do processo de dopagem da origem a lacunas so chamados receptores. Quando o nmero de eltrons livres (cargas negativas) aumentado, o semicondutor do tipo negativo ou tipo N Desta forma no semicondutor dopado do tipo N prevalecem as cargas negativas Todomaterialcujoprocessodedopagemdaorigemaformao deeltronsexcedentes denomina-se material tipo n. Ao material cujo processo de dopagem resulta na formao de lacunas denomina-se ma-terial tipo p. Nos condutores com o aumento da temperatura teremos um movimento desordenado de eltrons> resistncia. CARACTERSTICAS DO SEMICONDUTOR Nos semicondutores teremos < (menor) resistncia devido s impurezas. a) resistncia maior do que dos condutores metlicos, porm menor do que isolantes; b) coeficiente negativo, isto , a resistncia diminui com o aumento da temperatura; c) a valncia dos tomos que constituem esses semicondutores 4; isto significa que a ltima camada desses tomos possui 4 eltrons. JUNO P N. 14 Se unirmos substancia do tipo p e n de maneira a fazer um nico cristal esta combinao ser chamada de juno PN. Os elementos tipo n (eltrons) sero denominados de portadores majoritrios do lado n. Os elementos do tipo P (lacunas) sero os portadores majoritrios do lado p. DIFUSO DE CARGA. Difusodecargapodeserentendidocomosendoadistribuioregularehomogneados tomos de umaimpureza atravsdos cristais puros. Um semicondutor dopado ainda possui resistncia. Chamamos a esta resistncia de resistncia de corpo. Um semicondu-torlevementedopadopossuiumaresistnciadecorpoalta.medidaqueadopagem aumentaaresistnciadecorpodiminui.Aresistnciadecorpotambmchamadade resistncia hmica porque obedece a lei de ohm. PORTADORES MAJORITRIOS E MINORITRIOS Em um cristal dopado os portadores majoritrios ocorrem devido a adio de impu-rezas, enquanto que os portadores minoritrios so provenientes da quebra das ligaes covalentes, principalmente quando ocorre elevao da temperatura. TIPO DE CRISTALPORTADORESMA-JORITRIOS PORTADORESMINORI-TRIOS PLacunasEltrons NEltronsLacunas O aumento da temperatura provoca a quebra de mais ligaes covalentes, aumentando a quantidadedeportadoresminoritrioscujofluxocontrrioaodosportadoresmajorit-rios, que neste caso ir interferir no fluxo dos portadores majoritrios.JUNO PN - DIODO DE JUNO Ao se combinar um cristal do tipo P com um cristal do tipo N obtm-se um diodo. DIODO NO POLARIZADO. possvel produzir um Cristal metade do tipo p e metade do tipo n. Juno onde as duas regies p e n se encontram. Um cristal PN comumente conhecido como diodo. 15 CAMADA DE DEPLEO.ANLISE DE UMA JUN-O PN. Aoanalisarumajunoencontramostrssituaes diferentes. 1.No polarizao 2.Com polarizao direta 3.Com polarizao reversa. Do lado n com o acumulo de material n apresenta um grande n de Eltrons. Do lado p apresenta um grande n de lacunas. Com o deslocamento de eltrons de n para p e lacunas de p para n haver uma recombinao na rea de difuso. Com o acumulo de on positivo de um lado e de on negativo do outro cria uma barreira de potencial (ddp) na juno. Ovalordestabarreiraemtornode0,7vparao Silcioede0,3vparaogermnio.Atemperatura ambiente. Id = corrente direta. POLARIZAO DIRETA(Vd > 0) Ajunoacha-sediretamentepolarizadanesta situao temos: Uma alta corrente direta (Id) porque o plo negati-vorepeleoseltrons,medidaqueoeltronen-contraumalacunatornaumeltrondevalnciae escoa pelo plo positivo da bateria. - Depois de sair do terminal negativo da bateria ele entra pela extremidade direita do cris-tal. - Percorre a regio n como eltron livre. -Prximojunorecombina-se,tornaseum eltron de valncia. -Passa pela regio p como eltron de Valencia. -Depoisdesairpeloterminalesquerdodocristalele segue para o terminal positivo da fonte ou bateria. A barreira de potencial diminui. (cce). Napolarizaodiretaaresistnciainternadodiodo(juno)assumeumvalorextrema-mente baixo e o diodo comporta-se como uma chave eletrnica fechada 16 a) os eltrons livres do cristal N so impelidos juno pelo plo negativo da bateria; b) as lacunas do cristal P so impelidos juno pelo plo positivo da bateria; c) na juno ocorre ento a combinao dos portadores; d) para cada lacuna do cristal P que se combinar com um eltron do cristal N, um eltrondeumauniodasproximidadesdoterminalpositivodabateriadeixaocristale penetra no polo positivo da bateria, originando uma lacuna que tambm impelida jun-o; e) simultaneamente um novo eltron penetra no cristal N atravs do terminal nega-tivo da bateria e se difunde at a juno; como resultado, a regio de transio torna-se significativamente mais estreita; f) com o aumento da tenso externa gradualmente vencida a barreira de potenci-aleacorrenteaumenta;umavezvencidaabarreiradepotencialacorrenteaumenta bruscamente; g) essa corrente e denominada corrente direta (ID) e seu sentido do cristal N para o cristal P (sentido real), ou seja, do catodo para o anodo. POLARIZAOREVERSA(VD0,7V para o silcio e de 0,3V para o germnio. Exemplo. Se no circuito anterior for aplicada uma tenso (E) de 8V e R=2,2KO. Determineos valores de VD, VR, e ID. 23 Soluo. Uma vezque a tenso aplicada estabelece uma corrente no sentido horrio (dire-to), de acordo com a seta do smbolo do diodo, o diodo esta no estado ligado. VD = 0,7V Silcio VR = E VD = 8V 0,7V = 7,3V ID= . 32 , 322003 , 7mAVRVR= = CONFIGURAES PARALELAS E SRIE/PARALELA. Os mtodos aplicados no item anterior podem ser estendidos anlise de configuraes paralela e srie paralela. Para que cada situao adapte.as etapas seqenciais utilizadas nas configuraes paralelas com diodo. determine a corrente em R. CIRCUITOS COM DIODOS. Amaioriadoscircuitoseletrnicaprecisadeumatenso CCparapodertrabalharadequadamente.Comoatensoda linha e alternada, a primeira coisa a ser feita em qualquer equi-pamento eletrnico converter a tenso AC em tenso CC. A ONDA SENOIDAL. A onda senoidal o mais bsico dos sinais eltricos. Observando a grfico abaixo temos. V = Vpsen u Onde: V = tenso instantnea VP = tenso de pico 24 u = ngulo em graus ou radianos Observecomoatensoaumentadezeroatummximopositivode90o,diminuipara zero em 180o, atinge um mximo negativo em 270o e volta a zero em 360o. VALORES DE UMA SENOIDE uV 0o 0V 30o 0,5VP 45o 0,707VP 60o 0,866VP 90o VP VALOR DE PICO A PICO DE UM SINAL SENOIDAL.. Valor de pico a pico de qualquer sinal a diferena entre o seu valor mximo e valor mnimo algbrico. VPP = VMAX - VMIN Para senoide o valor de pico a pico Vpp = Vp (-Vp)Ou seja, Vpp = 2 Vp Em outras palavras, o valor de pico a pico de uma senoidal o dobro do valor de pico. Exemplo. Uma senoide de 18V de pico o valor pico a pico de 36V. Vpp = 18Vp (-18Vp) Vpp = 36V VALOR EFICAZ OU RMS. Ovalorrms(raizmdiaquadrtica)(rootmeansquare)deumaondasenoidal, tambm conhecida como valor eficaz, a tenso que realmente executa um trabalho. Vrms = 0,707VP. TENSO DE LINHA As companhias de energia eltrica geralmente fornecem uma tenso de linha de 115Vrms com uma tolerncia de 10% por centoe com uma freqncia de 60 Hz. Com a equao Vrms=0,707VP pode se calcular o valor de pico da seguinte forma. 115V = 0,707VP VP = 707 , 0115 V VP = 163Vac 25 VALOR MDIO O valor mdio de uma onda senoidal ao longo de um ciclo zero. Istoporque a onda se-noidal simtrica: cada valor positivo da primeira metade do ciclo compensado por um valor igual negativo da segunda metade. TRANSFORMADOR. Transformador Relao transformao = Vp = Np e P.sada = P.ent. VsNsVs x Is = Vp x Ip Vp=Tensoprimrio(entrada)Np = Nmero de espiras no primrio Ip = Corrente primrio (entrada)

Vs=Tensosecundrio(sada) Ns = Nmero de espiras no secundrio Is = Corrente secundrio (sada) Tipos de transformadores Transformador de alimentao Transformador de udio Transformador de corrente Transformador de RF: RETIFICAO - PRINCPIOS BSICOS Retificarencerraaidiadeconverterumatensoalternadaemtensocontnua. Noprocessoderetificaodeve-selevaremcontaascaractersticasdechaveamento eletrnico do diodo, ou seja, conduz corrente em apenas um sentido (quando diretamente polarizado). RETIFICAO DE ONDA: 26 Tomemos como exemplo o circuito a seguir, destinado a retificar uma tenso alter-nada. A tenso a ser retificada de 40Vrms, ou 40Vef. Como sabemos a corrente alter-nadatemapropriedadede mudarde polaridadeperiodicamente, segundo umadetermi-nada freqncia. Deduz-seentoquedurante osemiciclopositivoodiodoestarpolarizadodireta-mente, atuandocomo umachaveeletrnica fechada eduranteosemiciclonegativo,por estar reversamente polarizado atuar como uma chave eletrnica aberta, conforme mos-tra os circuitos equivalentes a seguir. Comoodiodocomporta-secomoumachave eletrnica fechada, somente circular corrente pela carga durante o semiciclo positivo. Logo,aparecernacargaatensocorres-pondente ao semiciclo positivo. Comoodiodocomporta-secomoumachave eletrnicaaberta,nocircularcorrentepela carga. Logo,noaparecernenhumacorrentena carga. Desta forma, circular corrente na carga somente durante os semiciclos positivos, caracterizando assim a retificao de onda. Ao se ligar nos extremos da carga um osci-loscpio, ser visualizado uma tenso cuja forma de onda mostrada na figura abaixo. 27 A tenso na carga contnua pulsante e o valor medido dessa tenso denomina-do valor retificado mdio (Vm ou Vdc), que pode ser calculado pela frmula: Vm ou Vdc = (Vp - VD) . 0,318 onde: Vp = valor de pico da tenso ou valor mximo da tenso (Vmax) Vm = Vdc = valor retificado mdio VD = queda de tenso direta no diodo (0,55 a 0,7V) 0,318 = constante = 1/t Podemos calcular o valor mdio retificado pela frmula: Vm ou Vdc = Vp ou Vmaxt ( para VD = 0, diodo ideal) EXEMPLO:Umretificadordeondadeveretificarumatensode40Vrmspara alimentar uma carga de 500O.Determine: a) valor retificado mdio na a carga; b) corrente na carga; c) valor mximo da tenso na carga. Soluo: a) devemos calcular o valor mximo da tenso (Vp ou Vmax): Vp = Vrms . 1,41 Vp = 40 . 1,41 = 56,4V calculando o valor retificado mdio na carga: Vm = (Vp - VD) . 0,318Vm = (56,4 - 0,7) . 0,318 = 17,71V b) a corrente na carga ser a corrente mdia: Im ou Idc = 17,71V500O = 35,42mA c) o valor mximo da tenso na carga: Vp - VD = 56,4 - 0,7 = 55,4V 28 TENSO DE TRABALHO DO DIODO: Na retificao de onda a tenso de trabalho do diodo a prpria tenso de pico datensoaserretificada,nacondiodepolarizaoreversa,conformeilustraafigura abaixo. Atensodetrabalho dodiodo normalmentedefini-da como tenso inversa de pico (TIP) Como o diodo est reversamente polarizado, compor-ta-secomoumachaveabertaenosseusextremosestarpresenteovalordepicoda tenso a ser retificada, que no caso : 40 . 1,41 = 56,4V. Como no circula corrente pelo circuito, a tenso nos extremos de R ser zero. CAPACIDADE DE CORRENTE DIRETA: Deve ser pelo menos igual a corrente mdia atravs do mesmo. Im ou Idc = Vm ou VdcR RETIFICAO DE ONDA COMPLETA (COM PONTO DE NEUTRO): Naretificaodeondacompletacompontodeneutro,deve-seutilizarumtrans-formador com secundrio dotado de tomada central (CT, do ingls center tap), de forma a fornecer duas tenses de amplitudes iguais porm defasadas 180 entre si. AstensesEs1eEs2somedidasa partirdoCT(referencial).A tensototaldo secundrio (Es) a soma das mesmas. Noinstante1odiodoD1estardiretamentepolarizadoeconduzindo,enquanto que D2 estar cortado e no conduzindo; no instante 2 ocorre o contrrio, ou seja, D1 es-tar cortado e D2 estar conduzindo. 29 A tenso retificada mdia na carga pode ser calculada pela frmula: Vm ou Vdc = (Vp - VD) . 0,637 Onde: Vp = valor de pico da tenso ou valor mximo da tenso (Vmax Vm = Vdc = valor retificado mdio VD = queda de tenso direta no diodo (0,55 a 0,7V) 0,637 = constante = 2/t Podemos tambm calcular o valor mdio retificado pela frmula: Vm ou Vdc = 2Vp ou 2Vmaxt (para diodo ideal, onde VD = 0) Circuito equivalente no instante 1 Nacargaaparecerumatenso(semiciclo)devidoaconduodeD1,porestar diretamente polarizado. Circuito equivalente no instante 2 30 No instante 2 estar presente na carga uma tenso (semiciclo) devido a conduo de D2. Destaforma,circularcorrentenacargaduranteossemiciclospositivosenegati-vos,caracterizandoassimaretificaodeondacompleta.Aoseligarnosextremosda cargaumosciloscpio,servisualizadaumatensocujaformadeondamostradana figura a seguir. TENSO DE TRABALHO DOS DIODOS: Na retificao de onda completa a tenso de trabalho De cada diodo (TIP) eqivale a duas vezes o valor de pico da tenso a ser retificada. Portanto: TIP = 2Vp CAPACIDADE DE CORRENTE DIRETA: Deve ser pelo menos igual a corrente mdia atravs do mesmo. Como cada diodo opera como um retificador de onda teremos: Im ou Idc = Vm ou VdcR2 CORRENTE DE PICO ATRAVS DO DIODO (Ip): Deve ser menor do que a corrente de pico especificada pelo fabricante. Como cada diodo opera como um retificador de onda teremos: 31 Ip = Vp ou VmaxR EXEMPLO: Dado o circuito abaixo, calcule: a) tenso mdia na carga;b) corrente mdia na carga; c) tenso de pico na carga; d) tenso de trabalho nos diodos; e) corrente de pico nos diodos. Soluo: a) tenso mdia na carga:Como Es = 100V, teremos: Es1 = Es2 = Es2= 50V Vm = (Vp - VD). 0, 637 Vp = Vef. 1,41 = 70,5V Vm = (70,5 - 0,7). 0, 637 Vm = 69,8. 0,637 = 44,46V b) corrente mdia na carga: Im = VmR = 44,46V500O = 88,92mA c) tenso de pico na carga: TIP = 2Vp = 2 . 69,8 = 139,6V d) tenso de trabalho dos diodos: cada diodo deve suportar no mnimo uma tenso reversa da ordem de 140V e) corrente de pico nos diodos: Ip = Vp500O = 69,8V500 = 139,6mA RETIFICAO DE ONDA COMPLETA EM PONTE: 32 A grande vantagem daretificao de onda completa em ponte deve-se ao fato de nosernecessrioutilizardoissinaisdeamplitudesiguaisdefasados180entresi;isto significa que pode-se obter uma retificao de onda completa a partir da rede domiciliar. O circuito bsico mostrado na figura abaixo. Aanlisedofuncionamentodeumretificadordeondacompleta,baseia-secomo nos casos anteriores, no chaveamento eletrnicos dos diodos. Devem ser levados em considerao os semiciclos positivo e negativo da tenso alternada a ser retificada. DuranteosemiciclopositivoosdiodosD1eD4estaroconduzindoporestarem diretamente polarizados, enquanto que D2 e D3 estaro cortados. Durante o semiciclo negativo os diodos D2 e D3 estaro conduzindo e D1 e D4 es-taro cortados. Veja nas figuras abaixo as ilustraes do que foi dito acima, para uma melhor com-preenso. D1 e D4 conduzindo; D2 e D3 cortados. Observa-se que os diodos D1 e D4 ficam em srie com a carga. Ento VD = VD1 + VD4 TIP = Vp D2 e D3 conduzindo; D1 e D4 cortados. Nestecaso,osdiodosD2eD3estoemsrie com a carga. Ento VD = VD2 + VD3 TIP = Vp A forma da tenso na carga mostrada abaixo. 33 O valor retificado mdio na carga pode ser calculado pela frmula: Vm ou Vdc = (Vp - 2VD) . 0,637 EXEMPLO:Calculeatensoepotnciamdiasemumacargade500O,emum retificador de onda completa em ponte, cuja tenso de entrada 50Vrms. Soluo: valor de pico da tenso a ser retificada: 50 . 1,41 = 70,5V Vm = (70,5 - 1,4) . 0,637 = 44,02V Pm (carga) = 44,022 / 500 = 3,88W RETIFICADOR DE ONDA COMPLETA SIMTRICO: Oretificadordeondacompletasimtricoforneceduastensesretificadassimtri-cascompolaridadesopostas,sendomuitotilquandodeseja-seprojetarretificadores para alimentao de amplificadores operacionais que na sua maioria necessitam de ten-ses positivas e negativas. Para a obteno de um retificador simtrico necessita-se de um transformador com secundrio dotado de ponto neutro (CT). Seu circuito bsico mostrado na figura abaixo. Aanlisedeseufuncionamentosimilaradoretificadordeondacompletaem ponte. Note que o ponto B o referencial e est ligado ao CT. Com isto a tenso de sada ter polaridades opostas a partir desse referencial. Veja a figura abaixo. 34 No instante 1, o ponto x torna-se positivo e o ponto y negativo. Isto far os di-odos D1 e D4 conduzirem enquanto que D2 e D3 estaro cortados. No instante 2, o ponto x torna-se negativo e o ponto y positivo. Isto far D2 e D3 conduzir enquanto D1 e D4 estaro cortados. Comoresultado,emcadacargaaparecerumatensoretificadadeonda completa de amplitudes iguais porm com polaridades opostas, devido ao referencial representado pelo ponto B, o qual est interligado ao CT. EntreospontosAeCsermedidaumatensoqueasomadastenses entre os pontos A - B e B -C. Observe na figura acima que entre os pontos A e C a tenso positiva, visto que o ponto A mais positivo do que o ponto C; evidentemente, esta tenso estaria invertida se fosse tomada entre os pontos C e A. A tenso retificada mdia na carga pode ser calculada pela frmula: Vm ou Vdc = ( )| |Es .1,41 -2V.0,637 D2 ou Vm ou Vdc = [(Es1 . 1,41) - VD] . 0,637 ou ainda 35 Vm ou Vdc = [(Es2 . 1,41) - VD] . 0,637 importantelembrar queasimetriadastensesnasada doretificadorser obtida somente se as tenses no secundrioEs1 e Es2 forem iguais, mesmo que as correntes no o sejam. EXEMPLO:Para o circuito abaixo, calcule a tenso e a corrente mdias em cada uma das cargas. Soluo: tenso retificada mdia nas cargas: Vm = [(50 . 1,41) - VD] . 0,637 Vm = [(50 . 1,41) - 0,7] . 0,637Vm = 44,46V teremos: em R1 + 44,46Vem R2 - 44,46V corrente mdia nas cargas: Im R1 = 44,46V500O = 88,92mA Im R2 = 44,46V1,2kO = 37,05mA FORMULRIO AUXILIAR: Clculo de potncia: P = E . I 36 P = ER2 E =P . R P = R . I2

I = PR Clculo do valor de pico ou valor mximo de uma tenso: Vp ou Vmax = Vef . 1,41 OBS: Vef = valor eficaz = Vrms Clculo do valor de pico a pico de uma tenso (Vpp): Vpp = 2Vp ou Vpp = Vef . 2,82 Clculo do valor eficaz de uma tenso: Vef = Vp . 0,707 Clculo do valor instantneo de uma tenso senoidal: Vinst = Vp . senu FORMULRIO AUXILIAR: Clculo de potncia: P = E . I P = ER2 E =P . R P = R . I2

I = PR Clculo do valor de pico ou valor mximo de uma tenso: Vp ou Vmax = Vef . 1,41 OBS: Vef = valor eficaz = Vrms Clculo do valor de pico a pico de uma tenso (Vpp): 37 Vpp = 2Vp ou Vpp = Vef . 2,82 Clculo do valor eficaz de uma tenso: Vef = Vp . 0,707 Clculo do valor instantneo de uma tenso senoidal: Vinst = Vp . senu Resumo do formulrio 38 EXERCCIOS PROPOSTOS 1 - No circuito abaixo, calcule: a) tenso retificada mdia na carga; b) corrente mdia na carga; c) potncia na carga. 2 - No circuito abaixo sabe-se que o valor instantneo de tenso em 60 186V. Cal-cule o valor retificado mdio na carga. 3 - No circuito abaixo, sabe-se que a tenso Es = 225V. Calcule: a) tenso retificada mdia nas cargas; b) corrente nas cargas; c) potncia nas cargas; d) qual deve ser a tenso de trabalho (TIP) dos diodos. 39 Dodo Zener Ododozenerquandopolarizadoinversamente(nodo aum potencialnegativoem relaoaoctodo)permitemanterumatensoconstanteaosseusterminais(UZ) sendo por isso muito utilizado na estabilizao/regulao da tenso nos circuitos. Ogrficodefuncionamentodozenermostra-nosque,diretamentepolarizado(1 quadrante), ele conduz por volta de 0,7V, como um dodo comum. Porm, na ruptura (3 quadrante), o dodo zener apresenta um joelho muito pronunciado, seguido de um aumento de corrente praticamente vertical. A tenso praticamente constante, apro-ximadamente igual a Vz em quase toda a regio de ruptura. As folhas de dados (data sheet) geralmente especificam o valor de Vz para uma determinada corrente IZT; A utilizao do dodo zener limitada pelos seguintes parmetros: Vz Tenso de zener (este valor geralmente especificado para uma determinada corrente de teste IZT) 40 Izmx Corrente de zener mxima Izmin Corrente de zener mnima Pz Potncia de dissipao (PZ = VZ x IZ) Desde que a potncia no seja ultrapassada, o dodo zener pode trabalhar dentro da zona de ruptura sem ser destrudo.Algumas especificaes do fabricante inclui-se tambm a corrente mxima que um diodo pode suportar, em funo da mxima potncia que o mesmo pode suportar. IZMax = PZM / VZ IZMax = mxima corrente de zener especificada PZM = potncia especificada VZ = tenso de zener Impedncia Zener ZZT Quando um diodo zener opera na regio de ruptura, um aumento na corrente produz umligeiroaumentonatenso.Istosignificaqueodiodozenertemumapequena resistncia,quetambmdenominadaimpednciazener(ZZT),tambm referenciada corrente de teste IZT para medir VZ. Assim por exemplo, para um diodo fictcio 1NZX45, com as especificaes VZT = 12V; IZT = 20mA e ZZT = 5, indica queodiodozenertemumatensode12Veumaresistnciade5parauma corrente de 20mA. Regulao tenso Paraqueocorraoefeitoreguladordetensonecessrioqueodiodozener funcionedentrodaregioderuptura,respeitandoasespecificaesdecorrente mxima. 41 A corrente que circula por RS que a corrente que circula pelo diodo zener dada pela frmula: IRS = (VE - VZ) / RS

Para entender como funciona a regulao de tenso, suponha que a tenso VE varia entre 9V e 12V respectivamente. Devemos ento obter o ponto de saturao (interseo vertical), fazendo com que VZ = 0.q1 (VZ = 0), temos: I = 9/470 = 19mAq2 (VZ = 0), temos: I = 12/470 = 25mA Para obter o ponto de ruptura (interseo horizontal), IZ = 0. q1 (IZ = 0), temos: VZ = 9V q2 (IZ = 0), temos: VZ = 12V Analisando o grfico, observa-se que embora a tenso VE varie entre 9V e 12V respectivamente, haver mais corrente no dodo zener. Portanto embora a tenso VE tenha variado de 9 a 12V, a tenso zener ainda aproximadamente igual a 6V. ClculoComponentes Dodo Zener 42 Exerccio em casa.individual D o significado de cada elemento envolvido com os semicondutores.Aceitador= Anodo= tomos de impureza= Avalanche= Banda de conduo= Banda de energia= Banda de Valncia = Banda proibida= Barreira de potencial = Camada de valncia= Carga espacial = Ctodo = Coeficiente de emisso Condutividade Constante= de Boltzmann Contato hmico= Corrente de deriva= Corrente de difuso= Corrente de Eltrons= Corrente de fuga= Corrente de lacunas= Corrente de saturao Corrente direta Densidade de corrente Densidade de eltrons Densidade de lacunas Densidade de portadores Diodo de barreira Diodo Diodo zenner Doador Dopagem 43 Eltron de Valencia Eltron livre Eletronvolt Equao do diodo Extrnseco Gap de energia Ge Intrnseco Is. Junao MS. Ligao covalente Material N Material P Nutron Ncleo N+ rbita P+ - Pi Polarizao direta Polarizao reversa Portador minoritrio Polarizao Portador de carga Portador majoritrio Potencial de difuso Protons Junao PN Kelvin Lacuna Tenso de barreira Tenso de ruptura Recombinao Regio de depleo Tenso de barreira Tenso de ruptura Tenso trmica Resistividade Ruptura de uma ligao covalente Semicondutor Subcamada 44 Calcule a corrente em cada diodo dos circuitos abaixo. Exemplo. 2 DetermineVo,I1,ID1,Id2paraaconfiguraoa-baixo. Exemplo3 Determine a corrente I para o circuito da fig abaixo 45 SEGUNDO BIMESTRE TransstorO transistor bipolar o transistor mais importante do ponto de vista histrico e o de utilizao mais corrente. No entanto, convm referir os transstores de efeito de cam-po(FET,FieldEffectTransistor),nomeadamente,ostransstoresFETdejuno unipolar, os transstores MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transis-tor),eosCMOS(complementaryMOSFET),osquaissomuitousadosnaelec-trnicaintegradadealtadensidade.

O material semicondutor mais usado no fabrico de transstores o silcio. Contudo, o primeiro transstor foi fabricado em germnio. O silcio prefervel porque possibilita o funcionamento a temperaturas mais elevadas (175 C, quando comparado com os ~75C dos transstores de germnio) e tambm porque apresenta correntes de fuga menores. O transstor bipolar formado por duas junes p-n em srie, podendo a-presentarasconfiguraesp-n-pen-p-n.Ostransstoresn-p-nsoosmaisco-muns, basicamente porque a mobilidade dos eltrons muito superior das lacunas, isto,oseltronsmovem-semaisfacilmenteaolongodaestruturacristalinaoque trazvantagenssignificativasnoprocessamentodesinaisdealtafrequncia.Eso maisadequadosproduoemmassa.Noentanto,deve-sereferirque,emvrias 46 situaes,muitotilterosdoistiposdetransstoresnumcircuito.

O transstor de juno bipolar um dos componentes mais importantes na Eletrni-ca. um dispositivo com trs terminais. Num elemento com trs terminais possvel usar a tenso entre dois dos terminais para controlar o fluxo de corrente no terceiro terminal,i.e.,obterumafontecontrolvel.Otransstorpermiteaamplificaoeco-mutao de sinais, tendo substitudo as vlvulas termo- inicas na maior partedas aplicaes. A figura da pgina seguinte mostra, de forma esquemtica, um transstor bipolar p-n-p. Este transstor formado por duas junes p-n que partilham a regio do tipo n (muito fina e no representada escala). Neste aspecto, o dispositivo cor-respondesanduchedeummaterial dotipon,entreduasregiesdotipop.Existetambmaestruturacomplementar (npn).Dependendodapolarizaodecadajunes(diretaouinversa),otransstor pode operar no modo ativo/linear, estar em corte ou em saturao. Verifique e simule apolarizaoefuncionamentodeumtransstorbipolar. Um transstor bipolar (com polaridade NPN ou PNP) constitudo por duas junes PN (juno base-emissor e juno base-coletor) de material semicondutor (silcio ou germnio)eportrsterminaisdesignadosporEmissor(E),Base(B)eColetor(C). 47 Smbolos Transstores Zonas Funcionamento Transstores Em cada transstor bipolar existem duas junes que iro apresentar zonas de funcionamento diferentes, consoante as junes base-emissor e base-coletor se encontram polarizadas direta ou inversamente.Os transstores tm trs zonas de funcionamento distintas:Corte - Ambas as junes esto polarizadas inversamente Ativa - Juno base-emissor polarizda diretamente e juno base coletor polarizada inversamente Saturao - Ambas as junes esto polarizadas diretamente 48 NPNPNP ZonaCondies Modelo CondiesModeloCorteVBE< 0.7VVBC< 0.7VIC = 0, IE = 0, IB = 0VEB < 0.7VVCB < 0.7VIC = 0, IE = 0, IB = 0AtivaVBE =0.7VVBC