Ficha Técnica 6: Semicondutores e díodos de junção (Parte 1)

artigo tĂŠcnico

Ficha TÊcnica 6 Semicondutores e díodos de junção p‰ .q

electrĂłnica 06 2.Âş Trimestre de 2017

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Paulo Peixoto zÂ?~| + z y> paulo.peixoto@atec.pt

As ďŹ chas tĂŠcnicas anteriores abordaram os princĂ­pios essenciais da eletricidade, com a anĂĄlise dos elementos elĂŠtricos fundamentais: a resistĂŞncia, a bobina e o condensador, como uma introdução ao estudo da eletrĂłnica que se inicia na presente ďŹ cha tĂŠcnica.

8. Introdução aos semicondutores Os materiais podem ser caraterizados como isolantes, quando não conduzem a corrente elÊtrica, por exemplo a borracha e a cerâmica; como condutores, quando conduzem facilmente a corrente elÊtrica que por eles circula, por exemplo o cobre; e como semicondutores que assumem caraterísticas entre os materiais isolantes e os materiais condutores. (a)

(b)

construção de alguns dos mais importantes componentes eletrónicos, como por exemplo os díodos, transístores e circuitos integrados ilustrados na Figura 69.

Os dispositivos semicondutores sĂŁo extremamente pequenos, bastante leves, com consumos de potĂŞncia muito baixos e com alta eďŹ ciĂŞncia e segurança. Com a evolução tecnolĂłgica obtĂŠm-se uma maior capacidade de integração, conseguindo-se colocar num Ăşnico circuito integrado milhares de componentes que podem ser dĂ­odos, transĂ­stores, resistĂŞncias ou condensadores.

São tambÊm vantagens a capacidade de operação a tensþes reduzidas, na ordem de 1 a 25 Volts, a sua reduzida dimensão, a sua robustez, bem como o menor custo, devido à possibilidade de produção em sÊrie. A principal desvantagem Ê a sua alterabilidade com a temperatura, deteriorando-se se for ultrapassado o limite da sua potência.

8.1. Estrutura do ĂĄtomo Para um melhor entendimento dos tĂłpicos seguintes faremos uma pequena abordagem Ă estrutura do ĂĄtomo.

O ĂĄtomo ĂŠ constituĂ­do por um nĂşcleo, onde se encontram dois tipos de partĂ­culas: os protĂľes, cuja carga ĂŠ positiva, e os neutrĂľes que nĂŁo apresentam carga elĂŠtrica. Gravitando Ă volta desse nĂşcleo, em orbitas deďŹ nidas, existem partĂ­culas cuja carga elĂŠtrica ĂŠ negativa, chamadas eletrĂľes.

No estado normal, o ĂĄtomo ĂŠ constituĂ­do pelo mesmo nĂşmero de protĂľes e eletrĂľes.

Como a carga elĂŠtrica do protĂŁo ĂŠ igual Ă do eletrĂŁo, embora uma seja positiva e a outra negativa, o ĂĄtomo nĂŁo apresenta carga elĂŠtrica, ou seja, ĂŠ eletricamente neutro.

(c)

Figura 69. Exemplos de componentes semicondutores: a) DĂ­odo retiďŹ cador (Fonte da Figura: www.fairchildsemi. com/datasheets/1N/1N4007.pdf ) b) TransĂ­stor de junção bipolar (Fonte da Figura: www. fairchildsemi.com/datasheets/BC/BC547.pdf ) c) Circuito integrado - AmpliďŹ cador operacional (Fonte da Figura: http://pt.rs-online.com)

Figura 70. Constituição do åtomo.

Os materiais semicondutores mais usados sĂŁo o germânio (Ge) e o silĂ­cio (Si). O germânio ĂŠ um elemento frĂĄgil de cor branco-acinzentada. O silĂ­cio ĂŠ um elemento nĂŁo metĂĄlico, abundante na natureza, na areia, quartzo ou cristais, de cor branca e, algumas vezes, como diĂłxido de silĂ­cio, tambĂŠm designado por sĂ­lica. Os semicondutores servem, fundamentalmente, como materiais bĂĄsicos Ă

A indicação do N.º de protþes Ê dada pelo N.º atómico do elemento. A massa do åtomo Ê dada pela soma do número de protþes e do número de neutrþes.

Um ĂĄtomo em equilĂ­brio possui uma certa quantidade de energia que ĂŠ igual Ă soma das energias dos seus eletrĂľes. Os eletrĂľes, por sua vez, possuem energias diferentes chamadas de nĂ­veis de energia, que podem ser equiparados a degraus, desigualmente distanciados, sendo dois degraus consecutivos cada vez mais prĂłximos Ă medida que aumenta o nĂ­vel de energia e, consequentemente, a energia que lhes corresponde. Ă€ medida que nos afastamos do nĂşcleo, os eletrĂľes ďŹ cam cada vez menos atraĂ­dos por ele. Os eletrĂľes situados na camada mais externa sĂŁo denominados de eletrĂľes de valĂŞncia.

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9.2. Curva caraterística do díodo de junção

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9.2.1. Curva caraterística real Para a determinação da curva caraterística tensão-corrente real do díodo deveremos considerar o seu comportamento: – Quando inversamente polarizado, a intensidade de corrente varia muito pouco com a tensão aplicada, sendo designada por I0 – corrente inversa de saturação. Esta assume valores da ordem dos μA para díodos de germânio e da ordem dos nA para díodos de silício. Aumentando a tensão inversa, a intensidade de corrente sofre um brusco aumento que só é limitado pelo circuito externo - diz-se que o díodo está na região de rutura.

Nesta situação poderá surgir a destruição do díodo.

– Quando polarizado diretamente, verificamos que a corrente direta do díodo começa a assumir valores apreciáveis a partir de determinado valor tensão, designada por Tensão de Arranque Uγ. Esta tensão marca o valor a partir do qual a corrente cresce rapidamente e que é de cerca de 0,2 / 0,3 V para os díodos de germânio e de 0,6 V / 0,7 V para os díodos de silício.

Figura 85. Curvas caraterísticas tensão-corrente real do díodo de germânio e do díodo de silício.

(Fonte da Figura: A. Silva Pereira, Mário Águas, Rogério Baldaia, Eletrónica (2.º volume), Porto Editora)

A equação que traduz o andamento da caraterística do díodo é apresentada em baixo.

Esta função matemática traduz o andamento exponencial e não linear da caraterística do díodo.

ID = IS  (e

VD η  VT

A equação do díodo em polarização direta é dada pela fórmula seguinte: VD = Vγ + Rf  ID Onde: VD - Tensão aos terminais do díodo, Vg - Tensão de arranque do díodo, Rf - Resistência direta do díodo (forward do inglês), cujo valor será baixo ou idealmente nulo, e ID - Corrente do díodo.

Quando o díodo está polarizado inversamente, o modelo é simplificado apenas por uma resistência, designada de resistência inversa. Como esta resistência é idealmente infinita, na realidade assume valores da ordem dos Megaohms, é usual representar um díodo polarizado inversamente como um circuito aberto.

9.2.2. Curva caraterística ideal Em muitas situações poder-se-á ajustar o comportamento do díodo ao seu modo de funcionamento ideal, que poderá ser representado pelas caraterísticas indicadas de seguida. A Figura 87 apresenta o gráfico tensão-corrente do díodo ideal.

– Quando polarizada diretamente, a tensão de arranque será igual a 0V, sendo a sua resistência direta nula - comportamento de um interruptor fechado. Assim, podemos escrever: u = 0; i > 0.

– Quando polarizado inversamente, a corrente inversa igual a 0A e a sua resistência infinita - Comportamento de um interruptor aberto. Teremos: u < 0; i = 0.

-1)

Onde: ID - Corrente do díodo, IS - Corrente de saturação, VD - Tensão do díodo, η - Factor de idealidade que depende do material (η=1 para o germânio e η=2 para o silício) e VT - Tensão térmica que é dada pela equação (k.T/q), onde k é a constante de Boltzmann (1,38 x 10-23 J/K), T é a temperatura em Kelvin (273,15+T [°C]) e q é a carga do eletrão (1,6 x 10-19 C). Para a temperatura de 25° C apresenta o valor de 25,8 mV (≈ 26 mV).

Tal como acontece para muitos outros componentes eletrónicos, é também possível transformar um díodo no seu esquema equivalente, de modo a facilitar a análise dos circuitos em que ele se encontra inserido. A Figura 86 apresenta o esquema equivalente de um díodo.

Figura 87. Caraterística tensão-corrente do díodo ideal.

Bibliografia do artigo –

A. Silva Pereira, Mário Águas, Rogério Baldaia, Eletrónica (2.º volume), Porto Editora, ISBN 972-0-33052-5

–

C.R. Paul, S.A. Nasar, L.E. Unnewehr, “Introduction to Electrical Engineering – Second edition”, McGraw-Hill

Figura 86. Circuito equivalente de um díodo: polarização direta (a) e polarização inversa (b).

International Editions, ISBN 0-07-011322-X, 1992.