Electronica - Modulo 4 - Semicondutores

Estrutura atómica

Materiais semicondutores

- 1 - António Pedro Andrade

Electrões

Protões

Neutrões

Neutrões não têm carga

Protões têm carga positiva

Electrões têm carga negativa

Níveis de energia

Um electrão ocupa de preferência o estado de energia mínimo (órbita mais próximo do núcleo).

Se fornecermos energia ele irá ocupar estados energéticos mais elevados. Por outro lado, um

determinado nível de energia só pode estar ocupado por um determinado número de electrões.

Neste caso, irá ocupar níveis de energia imediatamente superiores.

Esta teoria não é válida para estruturas cristalinas (uma estrutura

cristalina é uma forma ordenada de arranjo de átomos) onde os

electrões da última camada são influenciados pelos átomos

a que pertencem e pelos átomos vizinhos. Deste modo, faz

mais sentido afirmar que um electrão da última camada não

pertence a um determinado átomo mas sim à estrutura cristalina.

A esta banda de energia chama-se banda de valência.



Á zona de energias permitidas para o electrão acima da banda de valência dá-se o nome de

banda de condução.

Á zona de energias não permitidas chama-se banda proibida.



Banda de valência

Banda de condução

Banda proibida

A

Isolador

B

Semi

condutor C

condutor

lacunas

Electrões

livres

Em função da largura de banda proibida de energia, podemos caracterizar vários tipos de

materiais:

a) Isolador (A): a banda proibida é muito larga o que implica fornecer muita energia para que

o electrão transite da banda de valência para a de condução. Assim, neste tipo de materiais

não encontramos mutios electrões livres nesta banda não sendo por conseguinte possível a

passagem da corrente eléctrica. São os materiais denominados isoladores.

b) Semicondutor (B): Sendo a banda proibida muito pequena, á temperatura ambiente, é

muito fácil os electrões transitaram da banda de valência para a de condução (à temperatura

de zero absoluto comporta-se como um isolador). Neste caso, tornam-se condutores em virtude de

termos muitos electrões livres na banda de condução. Por outro lado, ao abandonarem a

banda de valência deixam “lugares” por ocupar aos quais iremos chamar lacunas.

c) Condutores (C): Neste caso a banda de valência confunde-se com a de condução. Deste

modo, iremos ter uma grande disponibilidade de portadores de carga o que explica as boas

propriedades condutoras de muitos metais.



Os materiais mais utilizados nos semicondutores são o Germânio e o Silício.

O silício (latim: silex, pedra dura, inglês: silicon) é um elemento químico de símbolo Si de número

atómico 14 (14 protões e 14 electrões). Á temperatura ambiente, o silício encontra-se no estado

sólido. Foi descoberto por Jöns Jacob Berzelius, em 1823 e é o segundo elemento mais

abundante da face da terra. Aparece na argila, feldspato, granito, quartzo e areia.

O germânio é um elemento químico de símbolo Ge, número atómico 32 (32 protrões e 32

electrões). Á temperatura ambiente, o germânio encontra-se no estado sólido. É um semi-metal

sólido, duro, cristalino, de coloração branco acinzentada, lustroso, quebradiço. Os únicos

minerais rentáveis para a extração do germânio são a germanita (69% de Ge) e ranierita (7-8% de

Ge); além disso está presente no carvão, na argirodita e outros minerais.

Ambos possuem 4 electrões na última camada com energias correspondentes à banda de

valência, ou seja, pertencem à estrutura cristalina como um todo. Desta forma, a ligação entre

os átomos são feitas por estes electrões que não pertencem exclusivamente a cada átomo

mas são compartilhados entre eles.



Do que foi anteriormente, a uma ligação química deste tipo chama-se covalente

Quando um electrão quebra a ligação covalente

e transita para a banda de condução torna-se um

electrão livre. A energia necessária para que isto

aconteça é de 0,72 eV para o Ge e 1,1 eV para o

Silício. (eV equivale a 1,6 x 10–19 joules. Um electrão-volt

é a quantidade de energia cinética ganha por um único

electrão quando acelerado por uma diferença de potencial

eléctrico de um volt, no vácuo).



Ligação

covalente

Electrões

valência

Electrão

livre

lacuna

No slide anterior, vimos que um electrão pode deixar um espaço vago (lacuna) na ligação

covalente, o que significa que este espaço pode vir a ser ocupado por outro electrão deixando,

assim, outra lacuna por ocupar. Deste modo, podemos pensar num movimento de electrões

mas, também, de uma condução eléctrica por parte das lacunas. Dito de outra forma, nos

semicondutores assistimos a dois tipos de condutividade: movimento dos electrões e

movimento das lacunas.

Podemos pois, concluir, que num semicondutor puro ou intrínseco, a concentração dos

electrões é igual à das lacunas.

Impurezas dadoras e aceitadoras

Na prática costuma-se misturar impurezas aos semicondutores para que se possa obter dois

tipos de semicondutores. As impurezas podem ser o Arsénio, Antimónio ou o Fósforo ou 5

electrões valência ou o Boro, Gálio e o Índio com três electrões valência.

Vejamos o que acontece quando se misturam estes elementos com o Germânio ou Sílicio.



Ao juntarmos impurezas como o Fósforo que possui 5 electrões valência, 4 ficam a fazer parte

da ligação covalente enquanto que o quinto fica livre. Assim, vamos ter vários electrões que

transitam facilmente para a banda de condução uma vez que estão pouco ligados à estrutura

cristalina. Deste modo, obtemos um material onde os electrões são portadores de carga

maioritários enquanto que as lacunas são portadores minoritários. A um semicondutor deste

tipo chamamos do tipo n.



5

Electrão

livre

Impureza do tipo n

Ao juntarmos impurezas como o Gálio (3 electrões valência) vamos ter falta de electrões na

estrutura cristalina. Deste modo, obtemos um material onde os electrões são portadores de

carga minoritários enquanto que as lacunas são portadores maioritários. A um semicondutor

deste tipo chamamos do tipo p.



3

Lacuna

Impureza do tipo p

Dependência com a temperatura

A condutividade dos semicondutores aumenta com a temperatura devido à geração de maior

número de portadores de carga. Inversamente diminui com a temperatura uma vez que a

largura de banda proibida aumenta.

Esta variação da condutividade pode ser aproveitada na construção de um dispositivo

semicondutor chamado termistor. Este dispositivo (NTC) é utilizado em circuitos de medição e

controle de temperatura.



Junção PN

Se juntarmos um semicondutor do tipo p a outro do tipo n, nas proximidades da união irá

verificar-se uma variação nas concentrações de portadores de carga. Os electrões passam do

lado n para o p e as lacunas do lado p para o lado n. Esta deslocação dos portadores

denominada corrente de difusão será tanto maior quanto maior forem as diferenças nas

concentrações e durará até se restabelecer o equilíbrio.



p n p n

+ -

-

- +

+

zona de carga

espacial

Campo eléctrico

Junção pn

Uma junção deste tipo toma o nome de diodo de junção ou simplesmente diodo.

Materiais semicondutores – Diodo junção


p n

ânodo cátodo

iD

vD 0,2 0,4 0,6 0,8 1

20

40

60

80

100

iD

mA

vD

volts

Ge Si

Curva característica

do diodo A K

Quando polarizamos o diodo inversamente a tensão aplicada tende a “puxar” os portadores

para longe da junção forçando o crescimento da região de carga espacial.

Ao polarizarmos o diodo directamente, o valor da barreira de potencial diminui facilitando as

correntes de difusão dos portadores maioritários. Dito de outro modo, as lacunas do lado p são

injectadas no lado n e os electrões do lado n injectados no lado p. A corrente que circula no

diodo é a soma das correntes de difusão. Não esquecer que a tensão VD tem que ser maior

que um determinado valor a que chamamos tensão de limiar V.

Materiais semicondutores - Polarização do diodo


iD

vD

+ -

iD

vD

- +

Diodo polarizado inversamente Diodo polarizado directamente

Materiais semicondutores – Diodo junção


Características do diodo

iF

vF

iR

vR

Corrente directa

Corrente inversa

Polarização

directa

Tensão directa UF

Corrente directa IF

Polarização

inversa

Tensão inversa UR

Corrente inversa IR

Curva característica

Circuitos equivalentes do díodo

Como vimos pelas curvas características dos diodos, eles não começam a conduzir

imediatamente quando se aplica um d.d.p. aos seus terminais. Só quando a tensão VD é

superior a 0,7V para o diodo de sílicio e 0,2V para os de germânio é que iremos ter iD.

O diodo ideal seria aquele que conduziria mal se aplicasse uma d.d.p. aos seus terminais. O

circuito desenhado em abaixo considera esta situação.



- +

0,7V

A nomenclatura dos componentes, têm por objectivo identificar de forma fácil e unificada cada

um dos dispositivos utilizados em eletrónica. Os principais códigos normalizados são:

• PROELECTRON – Europeu Duas letras + sequência alfanumérica da série (aplicações comerciais)

Três letras + sequência alfanumérica de série (aplicações profissionais)

• JEDEC – Americano Um número + N + Sucessão alfanumérica de série

• JIS – Japonês 2S + Sequência alfanumérica de série

EX.

1N – Código americano (uma junção);

1S – Código Japonês;

BA – Código europeu.

If – corrente máxima directa

Vr – tensão máxima inversa



Circuitos limitadores

Por vezes temos necessidade de limitar sinais ou tensões a um valor pré-determinado,

podendo ser negativo, positivo ou ambos. Por exemplo:

Estes tipos de circuitos podem ser efectuados com diodos os quais tomam o nome de

limitadores. Mesmo que a tensão de entrada Vi aumente, a tensão de saída Voserá sempre

igual ao valor da pilha mais o valor de condução do diodo: VO= E + V.

Vejamos dois casos:

Materiais semicondutores – Aplicações dos diodos


Consideremos o circuito abaixo onde temos 2 fontes de tensão, uma CC e outra CA. O diodo

só conduz quando a tensão for E+ V.

Se Vi for menor que E+ V o diodo não conduz, logo I =0 e Vo=Vi

VO = VD + E

Materiais semicondutores – Circuitos limitadores


-

+

R

Vo

E

Vi

Vi

Diodo não

conduz

Vo

Diodo conduz

V

Montagem laboratorial 1

Recorrendo ao software existente montar o seguinte circuito:

- Uma fonte alimentação CA, 10V;

- Uma fonte CC de 4V

- Resistência de 1K;

- 1 osciloscópio;

- Diodo rectificador;

- Ligação à terra.

Materiais semicondutores - Circuitos limitadores


Elaboração do relatório 1

Com base neste trabalho prático faz um relatório no processador de texto onde constem os

seguintes elementos:

- Título;

- Objectivo;

- Introdução teórica relativamente aos diodos quanto à polarização, tensão de condução,

explicação sumária do funcionamento do circuito, etc.;

- Esquema do circuito e respectivos valores (verificar na Internet as características dos diodo);

- Conclusões.

(varia o valor da fonte CA para um valor Vi < E+ V , verifica a forma de onda e explica o porquê da

situação; o porquê da forma de onda de saída, em que situações é que o diodo conduz, qual o valor

da onda de saída mesmo quando aumentamos Vi...)



O circuito abaixo só difere do anterior em virtude de ter dois diodos montados em paralelo e

com polarizações diferentes.

Cada diodo só conduz quando a tensão for E+ V.



-

+

R

Vo

E

Vi

-

+ E

Vi

Diodos não

conduzem

Vo

Diodos conduzem



- Uma fonte alimentação CA, 10V;

- Duas fontes CC de 6V e 2V;


- 1 osciloscópio;

- 2 Diodos rectificadores;





Com base neste trabalho prático faz um relatório no processador de texto onde constem os

seguintes elementos:

- Título;

- Objectivo;

-Introdução teórica relativamente aos diodos quanto à polarização, explicação sumária do

funcionamento do circuito, etc.;

- Esquema do circuito e respectivos valores(verificar na Internet as características dos diodos);

- Conclusões

(varia o valor da fonte CA para um valor Vi < E+ V e verifica a forma de onda e explica o porquê da

situação; porquê da forma de onda de saída, em que situações é que os diodos conduzem, qual o

valor da onda de saída, qual a diferença para o circuito testado anteriormente)



No circuito descrito, o diodo encontra-se em condução desde que E seja superior a V. Se

calcularmos o valor de iD e de VD e se os conjugarmos com a curva característica do diodo,

obteremos o que se chama a recta de carga estática e o respectivo ponto de funcionamento.

Materiais semicondutores – Circuitos rectificadores


VD

-

+

Vo

E R

iD

V

E

DD RiVE

Ponto de

funcionamento

do diodo

VD

REi

teremosse

VE

teremosse

D

D

/

0V

0i

D

D

Neste circuito, onde a pilha foi substítuida por uma fonte CA, a fórmula anterior continua válida

e sabemos que o diodo só conduz quando Vi é maior que V.

Facilmente se compreenderá que o diodo só irá conduzir nas alternâncias positivas.



VD

Vo

R

Vi

RVVi

VVV

RiVV

iD

iO

DDi

/)(

Vi VO

VVV iO




- 1 osciloscópio;

- 1 Diodo rectificador;





- Título;

- Objectivo;

a) Estudo da rectificação de meia onda utilizando um diodo;

- Introdução teórica relativamente à rectificação de meia onda, explicação sumária do


- Esquema do circuito e respectivos valores(verificar na Internet as características dos diodo);

- Conclusões

(qual o valor máximo da tensão inversa que o diodo deve suportar, o porquê da forma de onda de

saída, qual o seu valor, etc)



No circuito abaixo, temos um transformador com ponto intermédio C o que irá resultar em duas

tensões no secundário AC e BC. Quando temos a alternância positiva em A, o diodo D1 irá conduzir

ficando o D2 ao corte. A corrente passa por D1, pela resistência e fecha-se no ponto C. Quando temos

a alternância positiva em B, a corrente flui por D2 passa pela resistência e fecha-se no ponto C.

Como a corrente passa pela resistência sempre no mesmo sentido teremos VO sempre positiva.

Por outro lado, como temos sempre condução (alternâncias positivas e negativas) resulta numa forma de

onda com uma frequência dupla da de entrada.

A tensão de saída será metade da desenvolvida no secundário em virtude de ser extraída do ponto

intermédio do transformador em relação a um dos extremos.

Um circuito deste tipo é designado por rectificador de onda completa.



Vi VO

VVV iO 2/'

VD

Vo

R

Vi

A

C

B

D1

D2

V’i


Montar o seguinte circuito:

- 1 transformador com ponto intermédio;

- 1 fonte alimentação CA;


- 1 osciloscópio;

- 2 Diodos rectificadores;





- Título;

- Objectivo;

a) Estudo da rectificação de onda completa utilizando um transformador com ponto

intermédio;

- Introdução teórica relativamente à rectificação de onda completa, frequência e tensão de

saída, explicação sumária do funcionamento do circuito, etc.;

- Esquema do circuito e respectivos valores;

- Conclusões

(O porquê da forma de onda ter sempre o mesmo sentido, diferenças entre este circuito e 3,

aplicações deste tipo de circuito, etc)



Nos circuitos rectificadores anteriores verificamos que a onda de saída sofre algumas

variações em torno do valor médio. Estas variações podem não ser compativeis com alguns

tipos de circuitos que necessitem de uma forma perfeitamente contínua sem flutuações.

Para evitar este problema, podemos introduzir um

condensador no circuito de forma a que a onda de saída

não sofra tantas variações ou que, pelo menos, sejam

atenuadas. O valor do condensador é escolhido em função

da constante de tempo do circuito = R.C. Deve ser

maior que o período de onda da tensão de entrada.

Análise do circuito:

Na alternância em que o diodo conduz, o condensador irá

carregar-se até ao valor Vi. Na alternância negativa, o diodo

não conduz, visto estar polarizado inversamente, o que irá

proporcionar a descarga do condensador pela resistência. A

este fenómeno dá-se o nome de filtragem. O valor do

condensador deve ser tal que permita apenas uma pequena

descarga para que as variações sejam menores.



VD

Vo

R

Vi C



Onda de saída sem

condensador

Onda de saída com

condensador

Carga do

condensador Descarga do

condensador




- 1 osciloscópio;

- 1 Diodo rectificador;

- 2 condensadores;

- 1 switch;





- Título;

- Objectivo;

a) Verificação da rectificação com diodo;

b) Verificação da filtragem através da introdução de condensadores;

- Introdução teórica relativamente à rectificação, filtragem, explicação sumária do


- Esquema do circuito e respectivos valores (verificar na Internet as características dos diodo);

- Conclusões

(qual o valor máximo da tensão inversa que o diodo deve suportar, o porquê da forma de onda de

saída, função do condensador, influência da capacidade, qual a constante tempo do circuito, etc)



A melhor rectificação é aquela que se consegue com um circuito idêntico ao da figura, que

utiliza uma ponte de diodos.

Com a polaridade indicada, os diodos D1 e D3 conduzem visto estarem polarizados

directamente enquanto D2 e D4 ficam ao corte. Na alternância oposta serão do diodos D2 e D4

a conduzirem.

A corrente flui na resistência sempre com o mesmo sentido fazendo com que VO nunca seja

negativo.

A tensão de saída é



Vo

R

Vi

D1

D2

D4

D3

+

Vi VO

VVV iO 2



- Fonte alternada


- 1 osciloscópio;

- 1 ponte de Diodos;

- 1 condensador 680F;





- Título;

- Objectivo:

a) Estudo da rectificação de onda completa através da ponte de diodos;

b) Verificação da filtragem introduzindo um condensador;

- Introdução teórica relativamente à rectificação, filtragem, explicação sumária do


- Esquema do circuito e respectivos valores;

- Conclusões.



O diodo Zener é um tipo de diodo especialmente projectado para trabalhar na região de

avalanche, ou seja, na região de ruptura da tensão inversa.

O díodo zener quando polarizado inversamente permite manter uma tensão constante aos

seus terminais (VZ) sendo, por isso, muito utilizado na estabilização/regulação da tensão nos

circuitos. Quando polarizados directamente comportam-se como um diodos normais.

Comercialmente são caracterizados pela tensão VZ

Materiais semicondutores – Diodo Zener


ânodo cátodo

iZ

vZ

A K

I

v vZ

Curva característica do

zener

Especificações do diodo

zener

Vd: tensão directa

Vz: tensão inversa (dada pelo

fabricante)

Izmáx: corrente máxima

Izmin: corrente mínima

Pz: potência zener

Verificação das características

Qual o valor de VO no circuito?

Suponhamos que queríamos que VO fosse igual a 10 V e sempre constante. O que poderíamos

fazer?



Vo

VIRV

mAk

V

R

V

kkkR

O

t

t

1682 V de Cálculo

83

24 I I de Cálculo

321R de Cálculo

4O

t

Estabelização da tensão com diodo zener




- 4 pilhas;

- Resistência de 1K e 2K;

- 1 amperímetro;

- 2 voltímetros;

- 1 diodo zener 1N4740A;

- 1 Switch.



A

V2

V1



V V1 V2 IZ

12V

24V

36V

72V


- Título;

- Objectivo:

a) Estudo do diodo zener como

estabelizador de tensão;

- Introdução teórica relativamente à

aplicação do dido zener, sua

polarização, etc;

- Esquema do circuito e respectivos

valores;

- Conclusões acerca dos valores

medidos e funcionamento do zener.

Nos diodos semicondutores na recombinação dos portadores electrão-lacuna dá-se uma

libertação de energia, geralmente sob a forma de calor.

Se utilizarmos semicondutores especiais, tais como o arsenieto de gálio (GaAs), a energia de

recombinação aparece sob a forma de luminosa. Este efeito é utilizado na construção de

diodos emissores de luz (LED: Ligth Emiting Diode).

Um Led para emitir luz tem que estar devidamente polarizado.

Materiais semicondutores – Diodo Led


IF max. Corrente máxima com o led ligado correctamente.

VF typ.Voltagem tipica, VL é aproximadamente 2V, excepto para os leds azuis que é 4V.

VF max.Tensão máxima.

VR max. Tensão máxima inversa.

Intensidade luminosa Brilho do led com a corrente normal de funcionamento, mcd = millicandela.

Angulo de projecção de luz Standard LEDs têm um angulo de 60°.

Comprimento de onda O pico de comprimento de onda visual determina a cor da luz enviada pelo LED.

nm = nanometro.



Tipo Cor IF

max.

VF

typ.

VF

max.

VR

max.

Intensidade

Luminosa

Angulo

visualização

Comprimento

onda

Standard Vermelho 30mA 1.7V 2.1V 5V 5mcd a 10mA 60° 660nm

Standard brilhante

vermelho 30mA 2.0V 2.5V 5V 80mcd a 10mA 60° 625nm

Standard Amarelo 30mA 2.1V 2.5V 5V 32mcd a 10mA 60° 590nm

Standard Verde 25mA 2.2V 2.5V 5V 32mcd a 10mA 60° 565nm

Alta intensidade Azul 30mA 4.5V 5.5V 5V 60mcd a 20mA 50° 430nm

Super brilho Vermelho 30mA 1.85V 2.5V 5V 500mcd a 20mA 60° 660nm

Baixa corrente Vermelho 30mA 1.7V 2.0V 5V 5mcd a 2mA 60° 625nm

em http://www.electronica-pt.com/index.php/content/view/126/37/

Polarização do LED

Além de ser polarizado directamente, um led deve ter uma resistência em série para limitar os

parametros de funcionamento para valores correctos, nomeadamente, a corrente. A resistência

limitadora da corrente é calculada através da seguinte fórmula:



F

F

I

VVR

Suponhamos um led vermelho cujos valores de VF e IF são

respectivamente 1,7V e 15 mA. Se quiseremos aplicar uma

fonte de alimetação de 9V, então teremos:

490

1015

7,193

R

Technology

Electronica - Modulo 4 - Semicondutores