AULA 2 - Eletrônica Geral 1 - Técnico
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Material Intrínseco
Como comentado anteriormente, uma cristal semicondutor composto unicamente por átomos de silício é chamado de semicondutor ÍNTRINSECO.
Em um semicondutor intrínseco, a geração de elétrons livres e de lacunas ocorre principalmente devido ao efeito térmico e as concentrações desses dois portadores de carga são iguais, ou seja, para cada elétron livre criado, uma lacuna é automaticamente gerada.
Esses portadores podem se movimentar ao longo do cristal de silício: o elétron na banda de condução e a lacuna, na banda de valência.
Existem no entanto dois fatores que influenciam neste movimento de portadores, sendo eles o movimento por difusão e o movimento por deriva.
Difusão
A difusão ocorre pela variação da concentração de e- e lacunas, devido à atração que os elétrons livres e as lacunas exercem entre si, uma vez que os elétrons são portadores de carga negativa e as lacunas, de carga positiva.
Desta forma, uma corrente de difusão atua no sentido de homogeneizar a distribuição de cargas, ao longo do material, da zona de maior concentração de cargas, para a de menor concentração.
Deriva
A deriva ocorre pela aplicação de um campo elétrico externo ao material.
Como se sabe, a presença de um campo elétrico irá gerar uma força elétrica sobre os portadores de carga, pondo-os em movimento.
Neste caso, as lacunas se movimentarão no sentido do campo elétrico e os elétrons livres, no sentido oposto.
A velocidade com que os portadores se movimentarão pelo efeito do campo elétrico dependerá do tipo de material semicondutor utilizado no cristal e seu nível de pureza.
Ocasionalmente, ao se aproximar de uma lacuna, um elétron livre pode ser atraído por ela e então ”capturado”. É o fenômeno inverso ao da geração, quando um elétron livre retorna da banda de condução para a de valência, fazendo desaparecer o par elétron-lacuna.
Essa união de um elétron livre com uma lacuna é chamada de recombinação.
Geração e recombinação ocorrem dinamicamente no material!
Em cristais semicondutor puro: no de elétrons = no de lacunas
A recombinação então é responsável pela retirada de um elétron da banda de condução e pela sua devolução à banda de valência.
O intervalo de tempo entre a geração de um elétron livre e a sua recombinação em um determinado material semicondutor é denominado de tempo de vida e este é dependente da pureza e estrutura do semicondutor.
Uma vez que cada material semicondutor possui uma velocidade de deriva e um tempo de vida, pode-se definir para cada material um comprimento médio livre, ou seja, a distância média que um elétron livre pode atingir em um material semicondutor antes de se recombinar.
Material Extrínseco
Dopagem
Como comentado anteriormente, em materiais semicondutores intrínsecos a quantidade de elétrons na banda de condução e a quantidade de lacunas na banda de valência dependem principalmente da largura do gap de energia e da temperatura do material.
Na prática, no entanto, impurezas presentes nos cristais de materiais semicondutores podem alterar fortemente as características da rede, modificando assim a concentração de elétrons livres e lacunas. Estas impurezas são pequenas quantidades de outros átomos, inseridos nas redes cristalinas.
As características elétricas de um material intrínseco pode ser completamente alterada pela adição de apenas 1 parte de impurezas por cada 10 milhões de partes de semicondutor .
Para a construção de dispositivos semicondutores, foco do estudo e desenvolvimento da eletrônica moderna, as características elétricas dos materiais semicondutores intrínsecos são propositalmente alteradas pela adição de impurezas, criando os chamados materiais extrínsecos tipo n e tipo p.
O processo de formação dos materiais extrínsecos é denominado Dopagem, e será explicada com mais detalhes nas próximas seções.
Material Tipo n
Os materiais extrínsecos do tipo n têm como portador majoritário os elétrons livres, logo, o processo de dopagem deve ocorrer no sentido de aumentar a concentração de elétrons na banda de condução, em temperatura ambiente.
Como, normalmente, os materiais semicondutores mais comuns como o Germânio (Ge) e o Silício (Si) são tetravalentes, a dopagem do tipo n é efetuada ao se inserir na rede cristalina do semicondutor impurezas doadoras de elétrons, isto é, átomos que ao serem inseridos na estrutura cristalina irão fornecer um elétron para a banda de condução.
Os elementos doadores mais comuns são: o arsênio, o fósforo ou o antimônio.
Figura 7: Inserção de um átomo doador em uma rede cristalina de Silício
Esses materiais são pentavalentes, ou seja, possuem 5 elétrons na camada de valência.
Ao se inserir átomos pentavalentes em uma rede de átomos tetravalentes (Germânio ou Silício), um dos elétrons não irá formar uma ligação covalente.
O elétron desassociado de qualquer ligação covalente está fracamente conectado ao seu núcleo, o que faz com que ele possa ser arrancado de sua órbita mais facilmente.
A dopagem do tipo n faz com que apareça dentro do gap entre a banda de valência e a de condução, um novo nível de energia. Os elétrons desassociados encontram-se todos nesse novo nível, sendo que agora a energia necessária para que os elétrons dissociados alcancem a banda de condução seja significativamente menor do que o gap original do silício intrínseco.
Material Tipo p
Em um material tipo p, os portadores majoritários são as lacunas.
O processo de dopagem, portanto, consiste em se aumentar o número de lacunas presentes na banda de valência.
Para tal, insere-se na estrutura cristalina átomos trivalentes (possuem 3 átomos na camada de valência), receptores, como o Boro, o Gálio e o índio.
A Figura 8 ilustra o resultado da inserção de Boro em um cristal de silício intrínseco.
Observe que agora não existem elétrons suficientes para realizar todas as quatro ligações covalentes necessárias.
A falta de um elétron provoca o surgimento de uma lacuna.
Portadores Majoritários e Minoritários
Em um material intrínseco, a banda de condução é ocupada exclusivamente por elétrons que adquiriram energia suficiente para romper as suas ligações covalentes e vencer o gap de energia.
Neste caso, cada elétron livre deixa na banda de valência uma lacuna, isto é, a concentração de elétrons livres e lacunas é a mesma.
Já em um material dopado, a concentração de elétrons ou lacunas é elevada pela inserção de impurezas doadoras ou receptoras.
Em um material do tipo n, por exemplo, a concentração de elétrons livres na temperatura ambiente é muito superior à observada em um material intrínseco, contudo, a concentração de lacunas não muda muito em relação ao material puro.
Isso significa que em um material do tipo n existirá um grande número de elétrons livres e um pequeno número de lacunas.
Neste caso, chamamos os elétrons de portadores majoritários e as lacunas de portadores minoritários.
Em um material do tipo p, as concentrações se invertem, ou seja, a lacuna representa o portador majoritário e o elétron livre, o portador minoritário.
Como comentado nas seções anteriores, a presença de um átomo doador em meio à rede cristalina provoca o aparecimento de um íon negativo, enquanto que, a presença de um átomo receptor gera um íon positivo.
Nesses casos é importante frisar que o aparecimento desses íons não faz com que o material como um todo se torne mais negativo ou positivo.
Como o número de elétrons e prótons em ambos os casos é o mesmo, um material do tipo n, ou um material do tipo p são eletricamente NEUTROS.
Junção PN
No capítulo passado discutimos a estrutura física de materiais semicondutores intrínsecos e extrínsecos. Esses materiais são a base da eletrônica moderna, a qual baseia-se em dispositivos semicondutores, constituídos por junções de materiais tipo n e tipo p. Vamos ver, porém, que elementos tipo P ou N não são “grande coisa” individualmente.
Quando unidos, é que cria-se um efeito interessante na junção dos materiais.
Neste capítulo iniciaremos os estudos dos dispositivos semicondutores básicos e suas aplicações em circuitos elétricos.
Existem, basicamente, três tipos de junções PN funcionais:
Sendo que a primeira é utilizada na construção de DIODOS e as duas últimas, em TRANSÍSTORES.
A união dos dois cristais, P e N, é ilustrada na Figura abaixo, onde estão explicitados os portadores majoritários de cada cristal.
Nota-se pela figura, que a concentração de elétrons e lacunas ao longo do corpo do novo material não é uniforme.
Devido ao fenômeno da difusão, assim que a junção PN é formada, uma migração de portadores de um cristal para o outro ocorre, ou seja, elétrons do material tipo n irão se deslocar para o material tipo p, e as lacunas farão o caminho contrário.
Assim que um elétron penetra no material tipo p, ele irá se recombinar rapidamente com uma lacuna, formando um íon negativo na borda do cristal.
As lacunas, ao penetrarem no material tipo n, também sofrerão recombinação e formarão íons positivos na borda do material.
Ao longo do tempo, a concentração de íons em torno do ponto de junção entre os dois cristais irá aumentar.
Devido a isso, cria-se um campo elétrico no ponto de junção, o qual age no sentido de impedir a migração de portadores.
Em um determinado momento, a força desse campo elétrico é forte o suficiente para impedir que qualquer portador atinja a região em torno da junção, gerando, portanto, uma região
depleta de portadores: a região de depleção, ou camada de depleção.
A região de depleção de uma junção PN é uma região onde existem poucos portadores de carga, tendo assim alta resistividade.
A Junção PN e os seus elementos são ilustrados na Figura abaixo.
Figura 8: Junção PN e a região de depleção.
OBS: Para que novos portadores possam ultrapassar a região de depleção, estes deverão possuir energia suficiente para vencer a força exercida pelo campo elétrico formado na junção. A largura da camada de depleção e a intensidade da barreira de potencial podem variar devido a fatores construtivos do dispositivo, material semicondutor utilizado e principalmente pela temperatura do material
Imediatamente após a formação da junção, uma diferença de potencial positiva é gerada entre os lados n e p. Essa barreira de potencial previne a continuação do transporte de portadores através da junção pn não polarizada.
A tensão VB proporcionada pela barreira de potencial na junção, depende do material utilizado na sua fabricação.
Valores aproximados para o germânio e silício são VB = 0,3 [V] e VB = 0,7 [V], respectivamente.
Não é possível medir diretamente o valor de Vγ aplicando-se um voltímetro conectado aos terminais dos materiais p e n, porque essa tensão existe apenas em uma pequena região próxima à junção.
No todo, o conjunto é eletricamente neutro, uma vez que não foram acrescentados nem retirados portadores do cristal.
Diodos
O dispositivo de estado sólido (semicondutor) mais simples é o diodo de junção, o qual é constituído por uma junção PN, isto é, a união entre um cristal do tipo n e outro do tipo p.
O diodo semicondutor é um componente que pode comportar-se como condutor ou isolante elétrico, dependendo da forma como a tensão é aplicada aos seus terminais.
Uma determinada tensão entre os terminais (neste caso uma tensão chamada de VD) leva o elemento diodo a operar em três possibilidades:
- Nenhuma polarização.
- Polarização direta - Aplicação de uma tensão positiva entre o anodo e o catodo.
- Polarização reversa - Aplicação de uma tensão negativa entre o anodo e o catodo.
Cada tipo de situação resulta um tipo de operação do elemento diodo. Com estes três tipos de operação é possível projetar circuitos para operações específicas.
Diodo sem polarização
Quando não se aplica uma tensão entre os terminais do diodo, não haverá fluxo de carga entre o lado de dopagem p e o lado n. Desta maneira não haverá uma corrente resultante circulando. Pela Figura 2.4, há uma representação desta situação.
Diodo sem polarização.
Pela Figura abaixo, há uma representação de um diodo, sem polarização,
onde não há a ocorrência de fluxo de elétrons e desta maneira a inexistência
da passagem de corrente elétrica.
Simbologia do diodo sem polarização.
Diodo com polarização reversa
A polarização inversa, ou reversa, de um diodo ocorre quando o lado n fica submetido a um potencial positivo relativo ao lado p do componente.
Nessa situação, os polos da fonte externa atraem os portadores livres majoritários em cada lado da junção; ou seja, elétrons do lado n e lacunas do lado p são afastados das proximidades da junção.
Representação do diodo com polarização reversa.
Quando é aplicada esta tensão contrária à polaridade normal do diodo, há um aumento da região de depleção, não permitindo a passagem de corrente elétrica.
Aumento da região de depleção.
A corrente de saturação que aparece, pela polarização reversa é geralmente na ordem de nanoampéres.
O nome saturação vem porque esta corrente tem o seu valor alcançado de maneira muito rápida e o aumento de tensão entre os terminais não causa qualquer aumento decorrente nesta corrente.
Este tipo de corrente poderá ser visto em futuro gráfico a ser mostrado.
Diodo com polarização direta
Polarização direta é uma condição que ocorre quando o lado p é submetido a um potencial positivo relativo ao lado n do diodo.
Nessa situação, o polo positivo da fonte repele as lacunas do material p em direção ao polo negativo, enquanto os elétrons livres do lado n são repelidos do polo negativo em direção ao polo positivo.
Na situação ilustrada ao lado, o valor da tensão V aplicada ao diodo é inferior
ao valor VB da barreira de potencial.
Nessa condição, a maior parte dos elétrons e lacunas não têm energia suficiente para atravessar a junção.
Como resultado, apenas alguns elétrons e lacunas têm energia suficiente para penetrar a barreira de potencial, produzindo uma pequena corrente elétrica através do diodo.
Se a tensão aplicada aos terminais do diodo exceder o valor da barreira de potencial, lacunas do lado p e elétrons do lado n adquirem energia superior àquela necessária para superar a barreira de potencial, produzindo como resultado um grande aumento da corrente elétrica através do diodo.
Quando o diodo está polarizado diretamente, conduzindo corrente elétrica sob a condição V > VB, diz-se que o diodo está em condução.
Polarização direta.
Curva característica do diodo
Pela Figura 2.10 há uma representação das curvas características entre o diodo de silício e germânio. Figura 2.10 – Curva característica do diodo de silício e germânio. Pela figura, nota-se que para o diodo há um valor da tensão gerado pela região de depleção. Este valor é de aproximadamente 0,7 volts e para o germânio é de 0,3 volts. Nota-se que para valores abaixo de 0,7 há uma pequena passagem de corrente e quando este valor é ultrapassado há uma passagem de níveis elevados de corrente elétrica. É possível ver também que no lado esquerdo do gráfico, há a parcela da corrente de saturação para quando ocorrer a polarização reversa. Esta parcela é na ordem de nanoampér. Nota-se também que existe uma tensão VZ, chamada de tensão zener. Esta situação é a máxima tensão possível que poder ser colocada reversamente. Se for aplicada uma tensão maior que o permitido, haverá uma condução reversa que poderá danificar tanto o diodo, bem como o circuito associado.
Circuito equivalente do diodo
Como visto na curva característica, o diodo começa a conduzir a partir de um determinado potencial, que no caso do diodo de silício era de 0,7V. Nota-se pela curva que tem um comportamento de uma exponencial crescente. Desta forma pode-se aproximar o diodo a um circuito equivalente. O modelo linear é representado por uma associação de uma fonte de tensão constante VT que corresponde a tensão de condução do diodo (0,7V). Associado em série uma resistência rav, que dá o comportamento de inclinação da curva e mais o diodo ideal que corresponde à condução em um só sentido. Este tipo de modelo linear é ilustrado na Figura 2.11.
Figura 2.11 – Modelo linear.
Quando se pensa em um circuito como um todo, ou seja, o diodo e o restante total de um circuito, pode-se desprezar a resistência rav Figura 2.12.
Figura 2.12 – Modelo simplificado.
Esta situação é possível porque está resistência é muito menor que todo o circuito e pode ser desprezada. Desta forma o circuito fica com uma fonte em série com o diodo ideal.
Para uma análise mais simples e rápida, pode-se aproximar para um modelo ideal, conforme visto pela figura 2.13. Note-se que quando a tensão aplicada for maior que zero, haverá condução de corrente elétrica.
Figura 2.13 – Modelo ideal.
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