MATERIAIS SEMICONDUTORES
- Níveis de Energia
- Valência
- Bandas de Energia
- Materiais Intrínsecos
- Condução Elétrica nos Semicondutores
- Semicondutores do Tipo N e P
- Aplicações
- Diodo Semicondutor - Rainer
- Transistor de Junção Bipolar - Rainer
- Transistor de Unijunção - Rainer
- Transistor de Efeito de Campo - Rainer
- Retificador controlado de silício - Maisa
- Termistores - Maisa
- Fotocondutores - Maisa
- Células Fotovoltaicas - Maisa
Diodo Semicondutor
- Alguns materiais apresentam propriedades de condução elétrica intermediárias entre aquelas inerentes aos isolantes e aos condutores. Tais materiais são denominados de semicondutores. Os materiais semicondutores mais simples são constituídos de átomos de um único elemento químico com quatro elétrons na camada de valência. Átomos exibindo esta configuração eletrônica são denominados de átomos tetravalentes.
- A Fig.1 ilustra a configuração dos átomos tetravalentes de germânio (Ge) e silício (Si) que dão origem a materiais semicondutores
- A Fig.2 mostra uma representação planar do arranjo de átomos tetravalentes em uma rede cristalina, onde cada átomo forma quatro ligações
- A dopagem é um processo químico no qual átomos estranhos são introduzidos na estrutura cristalina de uma substância.
- Quando o processo de dopagem introduz na estrutura cristalina do semicondutor uma quantidade de átomos contendo excesso de um elétron de valência relativamente ao número de elétrons da camada mais externa de cada átomo do cristal, forma-se um semicondutor tipo n.
- Quando os átomos introduzidos na estrutura cristalina do semicondutor exibem deficiência de um elétron de valência relativamente ao número de elétrons da camada mais externa de cada átomo do cristal, forma-se um semicondutor tipo p.
- Com respeito à ligação com o quarto átomo de silício, verifica-se a ausência do segundo elétron que comporia o par necessário à formação daquela ligação com o átomo de índio. Essa ausência de elétron de ligação é denominada de lacuna.
- 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. Essa característica permite que o diodo semicondutor possa ser utilizado em diversas aplicações, como, por exemplo, na transformação de corrente alternada em corrente contínua.
- Um diodo semicondutor é formado a partir da junção entre um semicondutor tipo p e um semicondutor tipo n, conforme ilustrado na Fig. 3. Existem vários processos que permitem a fabricação desse tipo de estrutura e que utilizam técnicas altamente sofisticadas para o controle de crescimento dos cristais semicondutores com os graus de dopagens desejados. A estrutura formada recebe a denominação de junção pn.
- 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.
- O diodo semicondutor é representado pn em diagramas de circuitos eletrônicos pelo símbolo ilustrado na Fig. 4. O terminal da seta representa o material p, denominado de ânodo do diodo, enquanto o terminal da (Fig. 4 - Representação do diodo.) barra representa o material n, denominado de cátodo do diodo.
- A identificação dos terminais do componente real pode aparecer na forma de um símbolo impresso sobre o corpo do componente ou alternativamente, o cátodo do diodo pode ser identificado através de um anel impresso na superfície do componente, conforme ilustrado na Fig. 4.
- Polarização direta é uma condição que ocorre quando o lado p é submetido a um potencial positivo relativo ao lado n do diodo.
- Quando o diodo está polarizado diretamente, conduzindo corrente elétrica sob a condição V > VB, diz-se que o diodo está em condução.
- A Polarização inversa de um diodo ocorre quando o lado n fica submetido a um potencial positivo relativo ao lado p do componente.
- Quando o diodo está sob polarização inversa, impedindo o fluxo de corrente através de seus terminais, diz-se que o diodo está em bloqueio ou na condição de corte.
- Um diodo ideal, polarizado diretamente, deve conduzir corrente elétrica sem apresentar resistência, comportando-se como um interruptor fechado, como ilustrado na figura 5. O interruptor fechado é, portanto, o circuito equivalente para o diodo ideal em condução.
- Polarizado inversamente, o diodo semicondutor ideal deve comportar-se como um isolante perfeito, impedindo completamente o fluxo de corrente, portanto assemelha-se ao interruptor aberto. Como ilustrado na figura 5 é, portanto, o circuito equivalente para o diodo ideal na condição de corte.
- Assim, um modelo mais aprimorado para o circuito equivalente do diodo em condução pode ser obtido pela associação série de um resistor Rc, representativo da resistência direta de condução, com uma fonte de tensão VB correspondente ao valor da barreira de potencial na junção, como mostrado na Fig. 6.
- Efeitos associados à temperatura e a absorção de fótons nas proximidades da junção de um diodo, possibilitam a geração de uma pequena quantidade de portadores minoritários, ou mais precisamente, lacunas no lado n e elétrons livres no lado p. Conseqüentemente, sempre existe uma corrente de fuga, quando o diodo é inversamente polarizado, correspondendo à passagem de portadores minoritários através da junção. Essa corrente de fuga é geralmente da ordem de alguns microampères, o que indica que a resistência da junção inversamente polarizada pode chegar a vários megahoms.
Transistor de Junção Bipolar
- No estudo de diodo, analisamos uma junção PN. Para o transistor, estudaremos duas junções.Para cada junção do transistor, existirá uma barreira de potencial.
- Temos 02 (dois) tipos de transistores, NPN e PNP, apresentando 03 (três) terminais: o emissor, a base e o coletor, e duas junções: junção base-emissor e a junção base-coletor, conforme a figura abaixo. Neste caso, o emissor composto de um material tipo N, tem a função de emitir elétrons. O coletor, que também é de material tipo N, coleta os elétrons. A base, formada por material tipo P, é a parte comum.
- No transistor, a junção base-emissor é polarizada diretamente, e a junção base-coletor é polarizada inversamente, independente do tipo NPN ou PNP. Como sabemos, ao polarizar uma junção PN diretamente, teremos uma redução na barreira de potencial e uma resistência de pequeno valor. Ao polarizar inversamente a junção PN, teremos um aumento na barreira de potencial e uma resistência de valor elevado.
- Curvas características do transistor As curvas características do transistor estabelecem relações entre entrada e saída para cada configuração, sendo a mais utilizada a configuração emissor comum. As curvas são de grande importância para conseguirmos o ponto de ótimo funcionamento do transistor, de acordo com o projeto adotado.
- Características VCE x IC
- Fornece-nos a característica de saída do transistor na configuração emissor comum, sendo IB constante para cada variação de VCE e IC
Transistor de Unijunção
Transistor de Efeito de Campo
- O transistor de efeito de campo (FET) tem o princípio de funcionamento diferente do transistor bipolar. É um dispositivo sensível à tensão, com impedância de entrada elevada, e impedância de saída relativamente alta. O FET é utilizado tanto nos circuitos analógicos como nos digitais, como amplificador ou chave. Existem dois tipos básicos de FET: o FET de junção e o MOSFET de metal óxido semicondutor.
- Fet de Junção
- O FET de junção consiste em uma fina camada de material tipo n ou tipo p com dois contatos ôhmicos, a fonte (S) e o dreno (D), e dois contatos retificadores
interligados denominados portas (G). Os elétrons livres entram na fonte e saem do dreno (Canal N). A camada condutora entre a fonte e o dreno é chamada de canal. O FET pode ser do tipo n, no qual o canal é do tipo n e as portas são do tipo p; ou do tipo p, sendo o canal tipo p e as portas tipo n.
Curiosidades e Links Úteis
- Pesquisadores da Unicamp desenvolveram pela primeira vez no Brasil, com apoio de colegas da USP, um Transistor FinFET, mais popularmente conhecido como 3D. O dispositivo, que ainda está em fase de protótipo, proporciona maior capacidade de processamento e de memória para equipamentos eletrônicos, como tablets, notebooks, televisores etc. “A diferença fundamental entre um transistor planar e um 3D é que no primeiro a corrente é transmitida através de um plano da superfície do silício somente, enquanto no segundo a corrente passa por três planos, um da superfície e dois das paredes verticais, aumentando o desempenho, em tese, em três vezes”.
- Novo diodo considerado Ideal:
- Ao contrário dos diodos convencionais, o novo diodo de nanotubos de carbono consegue desempenhar múltiplas funções - como um diodo e dois tipos diferentes de transistores - o que o torna capaz tanto de emitir quanto de detectar luz.É justamente a qualidade dessa junção que responde pela eficiência do componente. O novo diodo de nanotubo tem a máxima eficiência teoricamente possível.
- No "diodo perfeito", as duas regiões - p e n - são formadas por meio de uma técnica de dopagem eletrostática, que utiliza duas portas separadas, que se acoplam às duas extremidades de um único nanotubo de carbono. Aplicando-se uma voltagem negativa a uma das portas e uma voltagem positiva à outra, forma-se então a junção p-n.