FORMAÇÃO - PRÁTICAS DE ELECTRICIDADE
revista técnico-profissional
o electricista
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Manuel Teixeira e Paulo Peixoto ATEC
ficha prática n.º 24
{INTRODUÇÃO À ELECTRÓNICA}
Depois de inúmeras fichas técnicas a tratar de motores eléctricos chegou a altura de analisar o controlo de potência destas máquinas. Iremos nos próximos números iniciar uma abordagem pela área da electrónica para compreender todo o processo que está envolvido neste controlo.
1› SEMICONDUTORES 1.1› Tipos de materiais A grande variedade de utilizações determina um total conhecimento das características dos materiais, e do seu comportamento em função do tempo. Os materiais eléctricos dividem-se em: › Materiais condutores (incluindo nestes os resistentes e bons condutores); › Materiais isoladores; › Materiais semicondutores; › Materiais magnéticos.
Os materiais isoladores são aqueles que praticamente não conduzem a corrente eléctrica. Os valores usuais para a resistividade destes materiais estão entre l = 1014 e 1026 1.mm2 / m. Os materiais magnéticos, embora também sejam algo condutores da corrente eléctrica, geralmente são estudados com outra finalidade, devido às suas propriedades magnéticas. Estes materiais, conforme veremos adiante, têm a propriedade de facilitarem o percurso das linhas de força do campo magnético. Os materiais semicondutores apresentam uma condutividade intermédia entre a dos condutores e a dos isolantes. Os valores usuais da resistividade encontram-se entre l = 104 e 1010 1.mm2 / m.
1.2› Estrutura dos átomos
Figura 1 . Diagrama dos tipos de materiais eléctricos.
Os materiais utilizados em electrotecnia encontram-se no estado sólido, líquido ou gasoso. Em qualquer dos estados encontramos materiais condutores e materiais isolantes. › No estado sólido temos por exemplo, o cobre - material condutor; o vidro - material isolante. › No estado líquido podemos encontrar, por exemplo o mercúrio material condutor; óleo mineral - material isolante. › No estado gasoso encontramos, por exemplo o ar húmido - material condutor; ar seco - material isolante. Os materiais condutores são os que melhor conduzem a corrente eléctrica, ou seja, menor resistência oferecem à sua passagem. Os valores usuais para a resistividade estão entre l = 10 -4 e 102 1.mm2 / m.
Todos estes materiais, independentemente se são condutores ou isolantes, são constituídos por átomos. De um modo simplificado podemos considerar o átomo formado por: › Núcleo central - essencialmente constituído por duas espécies de partículas: os protões cuja carga é positiva e os neutrões que são partículas sem carga eléctrica. › Nuvem electrónica - formada por electrões que giram em várias órbitas e com grande velocidade à volta do núcleo. A massa do átomo encontra-se praticamente toda concentrada no núcleo, os electrões têm massa aproximadamente desprezável relativamente à massa do núcleo (Tabela 1).
Partícula
Símbolo
Massa relativa à unidade de massa atómica
Carga em unidades de carga elementar
Localização
Protão
p
1,007276 1
+1
Núcleo
Neutrão
n
1,008665 1
0
Núcleo
Electrão
e-
0,00055 1 / 1840
-1
Orbitais
Tabela 1 . Características físicas das partículas fundamentais do átomo.
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Quatro dos cinco electrões de valência irão constituir quatro ligações covalentes com os electrões periféricos dos átomos vizinhos do semicondutor.
átomos das impurezas apenas conseguem constituir três ligações covalentes. Uma ligação fica por formar por falta de um electrão, ou seja, originou-se uma lacuna.
O quinto electrão, não podendo participar em qualquer ligação covalente, pode, à temperatura ambiente, libertar-se facilmente do átomo a que pertence e tornar-se num electrão livre.
Estas substâncias, trivalentes, são conhecidas por impurezas aceitadoras e o material semicondutor assim formado por semicondutor tipo P. Num semicondutor tipo P (iões aceitadores) teremos: › Lacunas – portadores maioritários; › Electrões – portadores minoritários.
As substâncias pentavalentes são conhecidas como impurezas dadoras e o material assim formado designa-se por semicondutor tipo N. A condutibilidade extrínseca é devida aos electrões livres, que são os portadores em maioria. Num semicondutor tipo N (iões dadores) teremos: › Electrões – portadores maioritários, provenientes da impureza; › Lacunas – portadores minoritários.
1.6› Junção PN Ao juntarmos um semicondutor tipo P a outro semicondutor tipo N obtemos como resultado final uma junção PN. Como analisado anteriormente, um semicondutor tipo P tem excesso de lacunas e um tipo N tem excesso de electrões mas, tanto um como outro são electricamente neutros. Quando se juntam os dois semicondutores há electrões do lado N que passam para o lado P, ocupando as lacunas aí existentes, deixando para trás um ião positivo do lado N e formando um ião negativo do lado P. A carga negativa criada por estes iões negativos no lado P começa a repelir os electrões que vêm do lado N até que a certa altura se atinge um equilíbrio e o movimento das cargas cessa. A concentração dos iões junto da junção, positivos do lado N e negativos do lado P, cria uma diferença de potencial que no silício vale aproximadamente 0,7 V e no germânio 0,2 V. Esta diferença de potencial funciona como uma barreira para os electrões que querem passar para o lado P e por isso designa-se por barreira de potencial. À zona onde estão concentrados os iões chama-se região de carga espacial ou camada de depleção. Esta tem a espessura de cerca de 10 -3 mm = 1 μm.
Figura 8 . Constituição do semicondutor tipo N.
Se agora se efectuar a dopagem do Silício com um elemento trivalente (por exemplo o Boro – B), os três electrões de valência dos
Figura 10 . região de carga espacial ou camada de depleção.
teste de conhecimentos Propomos 2 questões para avaliar o nível de conhecimentos após a 1.º Ficha Técnica na área de electrónica. As soluções serão publicadas na próxima revista. 1. Descreva, sucintamente, a diferença entre semicondutor intrínseco e um seFigura 9 . Constituição do semicondutor tipo P.
micondutor extrínseco. 2. Explique a processo de dopagem na formação de um semicondutor do tipo P.