Materiais SemicondutoresSo materiais constitudos de tomos com quatro eltrons na camada externa e que podem se comportar como condutores ou isolantes. Germnio (Ge) e Silcio (Si) so os elementos qumicos utilizados na fabricao de materiais semicondutores para componentes eletrnicos: diodo, transistor, processadores, circuitos integrados em geral. Tanto o Si quanto o Ge quando puros formam redes cristalinas eletricamente isolantes porque todos os eltrons fazem parte de ligaes covalentes. Ligao Covalente um tipo de ligao qumica entre tomos, caracterizada pelo compartilhamento de um ou mais pares de eltrons entre tomos, mantendo a molcula resultante unida. Atravs de um processo de dopagem qumica controlada pode-se criar portadores livres de carga positiva (lacuna) ou portadores livres de carga negativa (eltrons livres), na estrutura cristalina, que tornam o material condutor. Dopagem um processo caro e se baseia na insero de impurezas na estrutura cristalina. Impurezas qumicas elementares aceitadoras eletrnicas: Boro, Alumnio, Glio, ndio e Tlio. Mais usado o ndio. Usadas para a dopagem tipo P (lacunas) e o resultado da dopagem o Cristal P. Impurezas qumicas elementares doadoras eletrnicas: Fsforo, Arsnio, Antimnio, Bismuto. Mais usado o Fsforo. So usadas no processo de dopagem tipo N (eltrons livres) resultando em Cristal N.

Diodo Semicondutor um componente fabricado com material semicondutor, cuja caracterstica de se comportar como condutor ou isolante eltrico, dependendo da forma como a tenso aplicada aos seus terminais, Anodo (Cristal P) e Catodo (Cristal N). Veja na Figura 1 que a barra desenhada no diodo representa o Catodo.

Figura 1 - Diodo Semicondutor: simbologia usada em circuitos (acima) e aspecto real do diodo

Polarizao de Diodosa) Polarizao Direta: A polarizao do diodo denominada polarizao direta quando a tenso positiva aplicada ao material P e a tenso negativa ao material .

Figura 2 - Polarizao direta sendo mostrada na simbologia de circuitos ( esquerda), e representada explicitando os cristais P e de sua estrutura, bem como a regio de depleo (figura da direita)

O plo positivo da fonte repele as lacunas do material P em direo ao plo negativo, enquanto os eltrons livres so repelidos pelo plo negativo em direo ao plo positivo, como pode ser visto na Figura 2. Regio de Depleo: uma regio de certo equilbrio por recombinao de cargas positivas e negativas. Se a tenso da fonte de tenso maior que a tenso da barreira de potencial ou VT (T de Threshold = limiar), as foras de atrao e repulso provocadas pela fonte permitem aos portadores adquirir velocidade suficiente para atravessar a regio onde h ausncia de portadores (regio de depleo) e surge corrente. O diodo se encontra em conduo (ou ligado), Veja nas Figura 3 e 4.

Figura 3 - Para conduzir, um diodo de Silcio precisa estar diretamente polarizado com uma tenso maior que 0,7V para que seja "vencida" a barreira de potencial de 0,7V. Em conduo, um diodo de Silcio permanece mantendo uma tenso de 0,7V entre seus terminais.

Figura 4 - Representao de um circuito com diodo, na simbologia de circuitos ( esquerda), e no aspecto real. A lmpada se acende devido a existncia de corrente eltrica no circuito.

b) Polarizao Inversa: A polarizao do diodo denominada polarizao inversa quando a tenso positiva aplicada ao material e a tenso negativa ao material P.

Figura 5 - Polarizao inversa (alguns livros a chamam de reversa) sendo mostrada na simbologia de circuitos ( esquerda), e representada explicitando os cristais P e de sua estrutura, bem como a regio de depleo (figura da direita)

Os portadores livres de cada cristal (lacunas do Cristal P e eltrons livres do Cristal N) so atrados pelos potenciais da fonte de tenso, como mostra a Figura 5, e a conseqncia disso o alargamento da regio de depleo (Figura 6), impedindo fluxo de portadores atravs da juno entre os cristais P e N. Como no h corrente, dizemos que o diodo est em bloqueio (ou desligado).

Figura 6 - Alargamento da regio de depleo devido a polarizao inversa no diodo.

Diodo Real Diodo IdealDiodo ideal um artifcio que se costuma fazer na resoluo de problemas de circuitos com diodo, em que se considera VT=0V. Deste modo, o diodo ideal um condutor perfeito (R=0)

quando est diretamente polarizado, e um isolante perfeito (R =) quando inversamente polarizado. Veja como se representa o Diodo ideal, na Figura 7.

Figura 7 - Circuitos equivalentes para o diodo ideal. direita mostrada a curva caracterstica do diodo ideal, que relaciona a tenso de polarizao VD e a corrente ID que passa pelo diodo.

Diodo real no pode ser entendido como um curto circuito quando polarizado diretamente. Permanece uma tenso constante entre os terminais de um diodo quando este se encontra em conduo, cujo valor o prprio VT. Os valores usuais de VT so: VT (Si) 0,7V VT (Ge) 0,3V A curva caracterstica (curva simplificada, a curva verdadeira tem o formato da Figura 9) para o diodo de Silcio est mostrada na Figura 8.

Figura 8 - Curva caracterstica do diodo de Silcio simplificada ( esquerda). Circuito equivalente do diodo de Silcio ( direita).

Figura 9 - Curva caracterstica do diodo de Silcio.

Anlise de Diodos por Reta de CargaA carga possui um impacto importante sobre o ponto ou regio de operao de um dispositivo. Traando-se a reta de carga sobre a curva caracterstica do diodo mostrada na Figura 10(curva real, fornecida pelo fabricante), podem-se determinar os valores de tenso VD e corrente ID no diodo, que caracterizam o ponto de operao, ou ponto quiescente (ponto Q).

Figura 10 - Curva caracterstica de um diodo real.

Figura 11 - Circuito com diodo em srie com carga resistiva.

Aplicando a Lei de Kirchhoff para tenses no circuito da Figura 10:

E VD VR = 0

(1) (2)

Sabe-se que: VR = I D R (Lei de Ohm)

Substituindo a equao (2) na (1), chega-se em:

E = VD + I D R

(3)

A equao (3) possui duas variveis: VD e ID, duas constantes: E e R, e representa uma reta no grfico VDxID. Para traar o grfico da reta de carga, basta achar dois pontos pertencentes a ela. Escolhe-se achar os pontos em que a reta de carga cruza os eixos VD e ID.

E = VD + I D RFaz-se VD=0V para se achar o ponto sobre o eixo de ID:

E = 0V + I D R I D =

E R VD =0V

Faz-se ID=0A para se achar o ponto sobre o eixo de VD:

E = VD + (0 A) R VD = E I

D =0 A

O ponto Q a interseo da reta de carga com a curva caracterstica do diodo (Figura 11). O valor da abscissa do ponto Q o valor de V DQ e o valor da ordenada o valor de I DQ .

Exemplo 1: Trace a reta de carga do circuito abaixo e indique os valores das grandezas VD e I D no grfico VD xI D , a partir do ponto Q.Q Q

Soluo:

ID =

E 10V = = 10mA R VD =0V 1KD =0 A

VD = E I

= 10V

Obtidos dois pontos (VD, ID): (0,10) e (10,0) pode-se traar a reta de carga do circuito, na qual o ponto Q a interseo entre a reta de carga e a curva caracterstica dada na figura (b).

Quanto mais bem elaborado for o traado da reta de carga e a escala do grfico, mais precisa ser a determinao dos valores de V DQ e I DQ por este mtodo.

Exerccio 1: Repita a anlise feita no Exemplo 1 com R=2KSoluo:

ID =

E 10V = = 5mA R VD =0V 2 KD =0 A

VD = E I

= 10V

Obtidos dois pontos (VD,ID): (0,5) e (10,0).

Percebe-se que para cargas diferentes (R=1K R= 2K) a inclinao da reta de carga tambm diferente, o que corresponde a um ponto Q diferente.

Configuraes em Srie de Diodos com Alimentao CCExemplo 1: Para a configurao com diodo em srie da figura abaixo, determine: VD, VR e ID.

Soluo: O diodo de Silcio est polarizado diretamente com uma tenso E= 8V que maior que a tenso de limiar VT=0,7V e por isso se encontra em conduo, ou ligado. A corrente circula no sentido da seta do desenho do diodo, ou seja, do Anodo para o Catodo. Sendo assim:

VD = VT = 0,7V VR = E VD = 8V 0,7V VR = 7,3V I D = I R , pois s h uma malha, e, portanto, uma s corrente.Sabe-se pela Lei de Ohm que: V R = I R R I R =

VR 7,3V = I D 3,32mA R 2,2 KV

Exerccio 1: Repita o Exemplo 1 com o diodo invertido.Soluo: O diodo de Silcio est polarizado inversamente, por isso se encontra em bloqueio, ou desligado. No circula corrente. Sendo assim:

I D = 0 A (circuito aberto) E VD VR = 0 VD = E VR = E 0 VD = 8VA queda de tenso sobre o resistor R obtida pela Lei de Ohm:

VR = I R R = (0 A).R VR = 0V , ou seja, se no circula corrente, no h ddp (diferena depotencial chamada tambm de queda de tenso) entre os terminais da carga (resistor R).

Exemplo 2: Para a configurao com diodo em srie da figura a seguir, determine: VD, VR e ID.

Soluo: Embora o diodo de Silcio esteja polarizado diretamente, o valor de tenso aplicada insuficiente para lig-lo. A tenso aplicada E=0,5V que um valor menor que a tenso de

limiar (ou de barreira de potencial) VT (Si)=0,7V. O ponto de operao (ponto Q) o ponto VD=0,5V:

Exerccio 2: Determinar VO e ID para o circuito em srie da seguinte figura.

Soluo: Visto que E = 12V > (0,7V+0,3V) = 1V, h tenso suficiente para ocorrer conduo de corrente. Pode-se enxergar esta situao como equivalente a:

Aplicando-se Lei de Kirchhoff para tenses:

VO = E VT ( Si) VT (Ge) = 12V 0,7V 0,3V VO = 11VAplicando-se a Lei de Ohm:

ID = IR =

VR 11V = I D = 1,96mA R 5,6 K

Configuraes em Paralelo e em Srie-ParaleloExemplo 1: Determine VO, I1, ID1 e ID2 para o circuito a seguir.

Soluo: A polarizao direta nos diodos e a tenso E=10V aplicada maior que VT(Si)=0,7V. Deste modo, ambos esto ligados. VO=0,7V Circuito equivalente:

I1 =

VR E VO 10V 0,7V = = I 1 = 28,18mA R R 0,33K

Visto que os diodos so semelhantes:

I D1 = I D 2 =

I 1 28,18mA = I D1 = 14,09mA I D 2 = 14,09mA 2 2

Se a corrente mxima nominal (especificada pelo fabricante) desses diodos fosse 20mA, um s diodo no suportaria a corrente I1=28,18mA. Esta a razo de se usar dois diodos em paralelo.

Exerccio 1: Determinar a corrente I para o circuito a seguir.

Soluo: O diodo D1 est ligado (conduzindo corrente) e D2 est desligado (em bloqueio), tendo em vista a polarizao imposta sobre eles (direta em D1 e inversa em D2). O circuito equivalente a esta configurao :

Pode-se obter I:

I=

V R E1 E 2 V D 20V 4V 0,7V = = I = 6,95mA R R 2,2 K

Exerccio 2: Determinar a tenso VO para o seguinte circuito:

Soluo: Quando a fonte DC de 12V for ligada, a tenso fornecida parte do valor 0V (zero volts) e em poucos milissegundos chega ao valor de 12V. No instante em que a tenso no diodo de Germnio (Ge) atinge 0,3V, ele ligado. Como os diodos esto em paralelo, essa tenso nunca atingir 0,7V e, portanto, o diodo de Silcio (Si) permanecer desligado. Sendo assim, temos por equivalncia o esquema da figura abaixo:

Na qual:

VO = 12V 0,3V VO = 11,7VObserve o ponto de quiescente em V=0,3V.

Exerccio 3: Determine as correntes I1, I2 e ID2 para o circuito abaixo:

Soluo: Observe que D1 e D2 esto ligados e pode-se perceber que a tenso existente sobre a resistncia R1 VT2=0,7V. Aplica-se a Lei de Ohm para se descobrir o valor da corrente I1:

VT 2 = R1 I 1 I 1 =

VT 2 0,7V = I 1 = 0,212mA R1 3,3K

Alternativamente, pode-se redesenhar o circuito:

Aplicando-se a Lei de Kirchhoff para tenses, na malha da esquerda:

V2 + E VT 1 VT 2 = 0V V2 = E VT 1 VT 2 = 20V 0,7V 0,7V V2 = 18,6VDa Lei de Ohm:

V2 = R 2 I 2 I 2 =

V2 18,6V = I 2 = 3,32mA R2 5,6 K

Aplicando-se a Lei de Kirchoff para correntes, no n a:

I D 2 = I 2 I1 = 3,32mA 0,212mA I D 2 = 3,108mA

Entradas Senoidais em Circuitos RetificadoresRetificador de meia ondaUma entrada Vi senoidal, com amplitude Vm e perodo T, conforme o grfico da Figura abaixo, ao longo do tempo, possui valor mdio (soma algbrica das reas acima e abaixo do eixo t) igual a zero.

Considerandose diodo ideal, o circuito da Figura acima chamado de retificador de meia onda e origina uma forma de onda VO, na sada, que possui um valor mdio de uso particular no processo de converso CA-CC. Durante o intervalo t=0 t=T/2, tem-se polarizao direta no diodo:

J durante o intervalo t=T/2 t=T, tem-se polarizao inversa:

O sinal de sada VO tem uma rea resultante mdia acima do eixo sobre um perodo e um valor mdio determinado por Vcc 0,318Vm , conforme mostra a Figura abaixo:

Retificador de onda completa com ponte de diodosO nvel cc obtido a partir de uma entrada senoidal pode ser melhorado 100% utilizando-se um processo chamado de retificao de onda completa. O circuito mostrado na Figura abaixo:

Para a regio positiva do sinal de entrada (Vi>0), mostrada no grfico da Figura abaixo (durante o intervalo t=0 t=T/2), D2 e D3 esto diretamente polarizados e, portanto, conduzem. A sada VO repete a entrada Vi como pode ser visto na Figura abaixo:

Para a regio negativa do sinal da entrada (Vi0 e Vi