Manual Semicondutores

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Escola Tecnolgica do Litoral Alentejano

Eletricidade eletrnica

Semicondutores

Tcnico de Mecatrnica - Mdulo 6 Tcnico de Eletrnica Mdulo 5

1 ano

Marco Brissos

Semicondutores

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Durao do mdulo: 30 horas Objetivos de aprendizagem: Descrever as caractersticas dos semicondutores. Distinguir semicondutores tipo P e N e explicar as caractersticas da juno PN. Efectuar clculos para a polarizao de diodos. Realizar montagens com diodos e proceder anlise dos circuitos. Descrever as aplicaes dos semicondutores atendendo s suas principais caractersticas. Explicar os tipos de circuitos usados na rectificao e as suas caractersticas. Dimensionar uma fonte de alimentao de corrente contnua simples. Conhecer os diodos Zener quanto sua constituio, caractersticas e aplicaes. Conhecer os diodos para aplicaes especiais quanto s suas caractersticas e aplicaes

Contedos: Materiais semicondutores / Conduo no silcio e germnio. Semicondutores do tipo P e do tipo N. Juno PN / diodos semicondutores Polarizao directa e inversa. Circuito equivalente de um dodo. Rectificao de meia onda e onda completa. Filtragem. Dimensionamento de fonte alimentao CC com filtragem por condensador. Circuitos multiplicadores e limitadores de tenso. diodos de Zener diodos para aplicaes especiais.

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IntroduoEstrutura cristalina dos semicondutoresQuando os tomos se unem para formarem as molculas de uma substncia, a distribuio e disposio desses tomos pode ser ordenada e organizada e designadesigna se por estrutura cristalina. O Germnio e o Silcio possuem uma estrutura cristalina cbica como mostrado na seguinte figura.

Ligao covalenteNessa estrutura cristalina, cada tomo (representado por Si) une-se a outros quatro se tomos vizinhos, por meio de ligaes covalentes, e cada um dos quatro electres , de valncia de um tomo compartilhado com um electro do tomo vizinho, de modo que dois tomos adjacentes compartilham os dois electres.

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Estrutura cristalina dos semicondutoresNa prtica, a estrutura cristalina ilustrada na figura s conseguida quando o cristal de silcio submetido temperatura de zero graus absolutos (ou -273C). Nessa temperatura, todas as ligaes covalentes esto completas os tomos tm oito electres de valncia o que faz com que o tomo tenha estabilidade qumica e molecular, logo no h electres livres e, consequentemente o material comporta-se como um isolante.

Semicondutor intrnsecoUm semicondutor intrnseco um semicondutor no estado puro. temperatura de zero graus absolutos (-273C) comporta-se como um isolante, mas temperatura ambiente (20C) j se torna um condutor porque o calor fornece a energia trmica necessria para que alguns dos electres de valncia deixem a ligao covalente (deixando no seu lugar uma lacuna) passando a existir alguns electres livres no semicondutor.

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Semicondutor extrnsecoH diversas formas de se provocar o aparecimento de pares electro-lacuna livres electro no interior de um cristal semicondutor. Um deles atravs da energia trmica (ou calor). Outra maneira, consiste em fazer com que um feixe de luz incida sobre o ). material semicondutor. Na prtica, contudo, necessitamos de um cristal semicondutor em que o nmero de electres livres seja bem superior ao nmero de lacunas, ou de um cristal onde o superior nmero de lacunas seja bem superior ao nmero de electres livres. Isto conseguido tomando-se um cristal semicondutor puro (intrnseco) e adicionando se adicionando-se a ele (dopagem), por meio de tcnicas especiais, uma determinada quantidade de ), uma outros tipos de tomos, aos quais chamamos de impurezas. Quando so adicionadas impurezas a um semicondutor puro (intrnseco) este passa a denominar-se por semicondutor extrnseco extrnseco.

Processo de dopagemQuando so adicionadas impurezas a um semicondutor puro (intrnseco), este passa mpurezas a ser um semicondutor extrnseco. As impurezas usadas na dopagem de um semicondutor intrnseco podem ser de dois tipos: impurezas ou tomos dadores e impurezas ou tomos aceitadores. aceitadores tomos dadores tm cinco electres de valncia pentavalentes): Arsnio (AS), Fsforo (P) ou Antimnio (Sb). (so

tomos aceitadores tm trs electres de valncia (so trivalentes): ndio (In), Glio (Ga), Boro (B) ou Alumnio (Al).

Semicondutor do tipo Noduo A introduo de tomos pentavalentes (como o Arsnio) num semicondutor puro (intrnseco) faz com que apaream electres livres no seu interior. Como esses tomos fornecem (doam) electres ao cristal semicondutor eles recebem o nome de impurezas dadoras ou tomos dadores. Todo o cristal de Silcio ou . Germnio, dopado com impurezas dadoras designado por semicondutor do tipo N (N de negativo, referindo referindo-se carga do electro).

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Semicondutor do tipo PA introduo de tomos trivalentes (como o ndio) num semicondutor puro (intrnseco) faz dutor com que apaream lacunas livres no seu interior. Como esses tomos recebem (ou aceitam) electres eles so denominados impurezas aceitadoras ou tomos aceitadores. Todo o cristal puro de Silcio ou . Germnio, dopado com impurezas aceitadoras designado por semicondutor do tipo P (P de positivo, referindo referindo-se falta da carga negativa do electro).

Movimento dos electres semicondutores do tipo N

e

das

lacunas

nos

Num cristal semicondutor tipo N o fluxo de electres ser muito mais intenso (sete larga) que o fluxo de lacunas (sete estreita) porque o nmero de electres livres (portadores maioritrios) muito maior que o nmero de lacunas (portadores minoritrios).

se ao A lacuna comporta-se como se fosse uma partcula semelhante ao electro, porm com carga elctrica positiva. Isto significa que, quando o semicondutor submetido a uma diferena de potencial, a lacuna pode mover se do mesmo modo que o electro, mover-se mas em sentido contrrio, uma vez que possui carga elctrica contrria. Enquanto os electres livres se deslocam em direco ao plo positivo do gerador, as lacunas deslocam-se em direco ao plo negativo. se

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Movimento dos electres semicondutores do tipo P

e

das

lacunas

nos

s Num cristal semicondutor tipo P o fluxo de lacunas ser muito mais intenso (sete larga) que o fluxo de electres (sete estreita) porque o nmero de lacunas livres (portadores maioritrios) muito maior que o nmero de electres livres (portadores minoritrios).

se A lacuna comporta-se como se fosse uma partcula semelhante ao electro, porm com carga elctrica positiva. Isto significa que, quando o semicondutor submetido a uma diferena de potencial, a lacuna pode mover se do mesmo modo que o electro, mover-se mas em sentido contrrio, uma vez que possui carga elctrica contrria. Enquanto os carga electres livres se deslocam em direco ao plo positivo do gerador, as lacunas deslocam-se em direco ao plo negativo. se

A juno PNA juno de um material semicondutor do tipo P (com excesso de lacunas) com um material semicondutor do tipo N (com excesso de electres livres) origina uma juno ial PN. Na zona da juno, os electres livres do semicondutor N recombinam recombinam-se com as lacunas do semicondutor P formando uma zona sem portadores de carga elctrica que se designa por zona neutra ou zona de depleo.

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Polarizao da juno PNA juno PN est directamente polarizada quando o potencial negativo da alimentao est ligado ao semicondutor N e o potencial positivo da alimentao est ligado ao semicondutor P.

A juno PN est inversamente polarizada quando o potencial negativo da alimentao est ligado ao semicondutor P e o potencial positivo da alimentao est ligado ao semicondutor N.

Princpio de funcionamentoQuando polarizada directamente a juno PN co conduz porque, na juno PN, a zona PN neutra estreita, a resistncia elctrica diminui e a corrente eltrica passa.

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Quando polarizada inversamente, a juno PN no conduz porque a zona neutra alarga, a resistncia elctrica aumenta significativamente e a corrente elctrica no passa.

Queda de tensoQuando a juno PN est polarizada directamente a corrente elctrica ao passar pela zona neutra ou zona de depleo, que apresenta uma certa resistncia, origina uma queda de tenso (u=RxI). Nas junes PN de silcio essa queda de tenso pode variar entre 0,6Volt e 1Volt. Nas junes PN de germnio essa queda de tenso pode variar entre 0,2Volt e 0,4Volt.

Modelo ideal do dodoAntes de iniciarmos o estudo do dodo semicondutor real, vamos partir de um modelo ideal, que nos fornecer uma base de comparao. O dodo um dispositivo com dois terminais, e tem o seguinte smbolo:

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Funcionamento do modelo ideal do dodoVamos ver agora como que se comporta o dodo ideal em termos de conduo da corrente eltrica. Vamos considerar que estamos a aplicar uma tenso positiva ao dodo. Ou seja, a diferena de potencial aplicada entre o nodo e o ctodo positiva, porque o potencial no nodo superior ao potencial no ctodo. Nestas condies, dizemos que o dodo est directamente polarizado O dodo ideal polarizado directamente comporta-se como se fosse um interruptor fechado, conduzindo a corrente elctrica do terminal mais positivo para o terminal mais negativo. Podemos ento considerar que quando polarizamos directamente um dodo ideal, ele comporta-se como se fosse um curto-circuito.

Se aplicarmos uma tenso negativa ao dodo, a diferena de potencial entre os seus terminais, medida do nodo para o ctodo, negativa, ou seja, o potencial aplicado ao nodo inferior ao potencial que est aplicado ao ctodo. Nestas condies, o dodo est inversamente polarizado. O dodo ideal polarizado inversamente comporta-se como se fosse um interruptor aberto, no permitindo a circulao de corrente elctrica. Ento quando polarizamos inversamente um dodo ideal, ele comporta-se como se fosse um circuito aberto.

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Funcionamento do dodo realConsideremos o dodo semicondutor, ao qual vamos aplicar uma tenso de polarizao directa. Vamos agora substituir o diagrama da juno pn pelo smbolo do dodo semicondutor. Nestas condies o dodo conduz porque tem uma tenso positiva no nodo e uma tenso negativa no ctodo, sendo equivalente a um curto-circuito.

V a tenso de conduo, cujo valor depende do tipo de material, do qual constitudo o dodo. Ex: Silcio (Vd=0,7V), Germnio (Vd=0,2V). Rf a resistncia de conduo, cujo valor ter de ser aproximadamente zero Se agora aplicarmos uma tenso de polarizao inversa o dodo passa a ter uma tenso positiva no ctodo e uma tenso negativa no nodo. Nestas condies o dodo no conduz e comporta-se como um circuito aberto.

RR a resistncia de corte, cujo valor ter de ser muito elevado. Semicondutores 11

Aps havermos compreendido como que se processa o fluxo de cargas atravs de um dodo, vamos agora observar a curva caracterstica de um dodo real. Esta curva traada num grfico que relaciona a tenso VD aplicada ao dodo com a corrente ID que nele circula. por isso designada por caraterstica V-I

Estes so os valores de tenso de polarizao directa necessrios para vencer a barreira de potencial da juno PN e colocar o dodo na regio de conduo. A pequenos aumentos de tenso V correspondem aumentos apreciveis de corrente I. Quando polarizado inversamente, a corrente no dodo tem um valor muito baixo e permanece praticamente constante.

Influncia da temperatura no comportamento dos diodosOs semicondutores so muito sensveis a variaes de temperatura, as quais provocam alteraes significativas no seu comportamento elctrico. Consideremos a curva do dodo de silcio temperatura ambiente: A subida da temperatura provoca a diminuio da tenso de arranque VT e um acentuado aumento da corrente de saturao inversa IR. A descida da temperatura provoca o efeito inverso.

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A escala de corrente inversa do dodo, representada na parte negativa do grfico, est deliberadamente ampliada: mesmo a altas temperaturas, a corrente de saturao inversa do dodo de silcio no ultrapassa os microamperes.

Parmetros dos diodos Folha de especificaesPara uma correcta utilizao dos diodos necessrio conhecermos o valor dos seus parmetros mais importantes. Estes parmetros variam de modelo para modelo e de fabricante para fabricante. Os dados sobre diodos semicondutores so normalmente fornecidos pelos fabricantes nas respectivas folhas de especificaes, tambm conhecidas por data sheets, ou nos chamados data books.

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Alguns dos parmetros mais importantes constantes das folhas de especificaes dos diodos so: A tenso inversa mxima que pode ser aplicada sem que o dodo entre na zona de ruptura (zona Zener). A intensidade de corrente directa mxima que o dodo suporta sem se danificar. A corrente inversa de saturao ou de fuga A mxima temperatura da juno A mxima corrente directa de pico repetitivo. A mxima corrente directa de pico transitrio

Resistncia Limitadora de CorrenteNum dodo polarizado diretamente, uma pequena tenso aplicada pode gerar uma alta intensidade de corrente. Em geral usa-se uma resistncia em srie com o dodo para limitar a corrente elctrica que passa atravs dele. RS denominada de resistncia limitadora de corrente. Quanto maior RS, menor ser a corrente que atravessa o dodo.

Para calcular o valor da resistncia a colocar em srie com o dodo temos de recorrer ao seu datasheet para verificar qual a intensidade de corrente que este suporta. Tendo esse valor podemos aplicar a lei das malhas ao circuito e calcular o valor da resistncia.

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Dodo Emissor de Luz (LED)O dodo emissor de luz (LED) um dodo que quando polarizado directamente emite luz visvel (amarela, verde, vermelha, laranja ou azul) ou luz infravermelha. Ao contrrio dos diodos comuns no feito de silcio, que um material opaco, e sim, de elementos como glio, arsnio e fsforo. amplamente usada em equipamentos devido a sua longa vida, baixa tenso de accionamento. A polarizao do LED similar ao um dodo comum, ou seja, acoplado em srie com uma resistncia limitador de corrente, como mostrado na Figura.

FotoDiodo um dodo com encapsulamento transparente, inversamente polarizado que sensvel luz. Nele, o aumento da intensidade luminosa, aumenta sua a corrente inversa. Num dodo polarizado inversamente, circulam somente os portadores minoritrios. Esses portadores existem porque a energia trmica entrega energia suficiente para alguns electres de valncia sarem fora de suas rbitas, gerando electres livres e lacunas, contribuindo, assim, para a corrente inversa. Quando uma energia luminosa incide numa juno pn, ela injecta mais energia aos electres de valncia e com isto gera mais electres livres. Quanto mais intensa for a luz na juno, maior ser corrente inversa num dodo.

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Rectificao TransformadorO transformador , a grosso modo, constitudo por duas bobinas (ou enrolamentos). A energia passa de uma bobina para outra atravs do fluxo magntico. A tenso de entrada de entrada (U1) est ligada ao que se chama de enrolamento primrio e a tenso de sada (U2) ao enrolamento secundrio. No transformador ideal temos o que se chama relao de transformao: U2/U1=N2/N1

Vrios exemplos de transformadores so apresentados em seguida:

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Circuito retificador de Meia Onda

U max = 2 UT=1/fUR max = U max V V - Tenso de conduo do dodo.

Circuito retificador de onda completa com transformador de ponto mdio

U 2 max = 2 U 2 T=1/f

UR max =

U 2 max V 2

V - Tenso de conduo do dodo.

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Circuito retificador de onda completa em ponte

U max = 2 UT=1/f

UR max = U max 2 V V - Tenso de conduo do dodo.

Filtragem por condensadorO condensador utilizado como um filtro nos circuitos de rectificao. Em paralelo com a carga consegue fazer com que a tenso aos seus terminais oscile menos e se torne mais prxima de uma tenso contnua.

Ur max f Rc A tenso de ripple a diferena entre a tenso mxima e a tenso mnima quando temos o condensador em paralelo com a carga. Uripple =Num rectificador de meia onda, a frequncia de sada igual de entrada, num rectificador de onda completa esta frequncia o dobro da frequncia de entrada. Semicondutores18

Estabilizao de tenso usando o dodo de zenerFuncionamento do dodo zener Ao usar um dodo Zener inversamente polarizado, este vai impor a sua tenso (desde que a tenso aplicada aos seus terminais seja maior que a sua) este um dodo construdo especialmente para trabalhar na tenso de ruptura. Abaixo mostrado a curva caracterstica do dodo zener e sua simbologia:

O dodo zener comporta-se como um dodo comum quando polarizado directamente.

A sua principal aplicao a de conseguir uma tenso estvel (tenso de zener). Normalmente ele est polarizado inversamente e por aproximao equivalente a uma resistncia Rz e uma queda de tenso Uz.

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Para estabilizar a tenso sada de um circuito retificador vamos usar um dodo zener em paralelo com a carga, este dodo vai impor a sua tenso na sada desde que esteja inversamente polarizado e a tenso aplicada seja maior que a tenso de zener.

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Circuitos limitadores de tensoUm circuito limitador de tenso um circuito no qual a tenso de sada limitada por um valor mximo, esse valor pode ser na alternncia positiva, negativa ou em ambas as alternncias.

Circuito limitador positivo

O valor da limitao de tenso dado pela fonte de tenso em srie com o dodo. Quando o dodo est diretamente polarizado esta fonte quem impe a tenso na sada.

Circuito limitador positivo

Neste circuito ocorre a mesma situao mas na alternncia negativa.

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Circuito limitador duploNo circuito limitador duplo a fonte de tenso U2 impe o seu valor na alternncia positiva e a fonte U3 impe o seu valor na alternncia negativa. Estes valores s chegam sada quando os diodos esto diretamente polarizados.

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Bibliografia:NGULO, J. M., Enciclopdia de Electrnica Moderna, Vol. 1a 4. Madrid. Editorial Paraninfo. (s.d.). CARLOS, ngulo e outros, Teoria e Prtica de Electrnica. McGrawHill. (Makron Books). (s.d.). MALVINO, Electrnica no Laboratrio. McGrawHill. (s.d.). MALVINO, Princpios de Electrnica, Vol. 1. McGrawHill. (s.d.). MATIAS, Jos, Prticas Laboratoriais de Electrotecnia e Electrnica, 10. Ano. Didctica Editora. (s.d.). MATIAS, Jos, Sistemas Analgicos e Digitais, 10. Ano, Vol. 2 Curso Tecnolgico de Electrotecnia e Electrnica. Didctica Editora. (s.d.). PEREIRA, A. Silva e outros. Prticas Laboratoriais de Electrotecnia e Electrnica, 10. Ano. Curso Tecnolgico de Electrotecnia e Electrnica. Porto Editora. (s.d.). PEREIRA, A. Silva e outros, Sistemas Analgicos e Digitais, 10. Ano. Curso Tecnolgico de Electrotecnia e Electrnica. Porto Editora. (s.d.). VARANDA, Joaquim, Tecnologias da Electricidade, 11. Ano, Vol. 2. Didctica Editora. (s.d.)

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