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CTM - Aula 14 - 2014/1

Revisão de 23h36min de 10 de agosto de 2014 por Maisa flora (discussão | contribs) (→Retificador Controlado de Silício)

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




  • O Transistor trouxe muito desenvolvimento para a área da informática, sem ele, os processadores teriam uma capacidade muito pequena em relação ao tempo da codificação e decodificação dos dados, sem falar na reduzida vida útil dos componentes das válvulas, que desempenhavam a função dos transistores antigamente.
  • A imagem a seguir nos fornece uma visão sobre o quanto se estudou e foi possível aprimorar as técnicas e tecnologias no que se diz respeito aos transistores. A Primeira trata-se do Primeiro Transistor feito, e a última, de um dos projetos mais recentes da Intel em relação a estes componentes.



Transistor de Unijunção



  • Um dos dispositivos semicondutores já há muito tempo em utilização é o transistor Unijunção (UJT). O UJT é um dispositivo de três terminais que, no entanto, tem apenas uma junção PN. Ele é usado como elemento ativo de um circuito oscilador.
  • O UJT é constituída por uma barra de silício tipo N com ligações elétricas em ambas as extremidades, além de um fio de alumínio ligado a um ponto ao longo do comprimento da barra de silício. No ponto de ligação, o alumínio cria uma região de tipo P na barra de silício, formando assim uma junção PN. Porque só há uma junção, não é razoável utilizar o termos ânodo ou cátodo, assim a ligação do tipo P é conhecido como o "emissor", enquanto que as duas conexões do tipo N são designados "Base 1" e "Base 2".
  • Em uso, uma tensão de polarização adequada é aplicada entre as duas bases, com a B2 feita positiva em relação a B1. Como a barra do tipo N é resistiva, uma corrente relativamente pequena irá fluir através dele, e a tensão aplicada será distribuída uniformemente ao longo do seu comprimento.
  • Os transistores de Unijunção podem ser aplicados em diversos aparelhos elétricos, com função de temporizadores, geradores de pulsos ou em circuitos osciladores.

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.


  • Mosfet
  • O MOSFET é de fabricação simples e ocupa menos espaço. Desta maneira, são amplamente utilizados para integração em larga escala (LSI).
  • Em uma parte da faixa de operação dos MOSFET, eles atuam como elementos resistivos controlados por tensão e ocupam área muito menor que o resistor de CI correspondente.
  • Apresenta alta impedância de entrada (até 1014Ω). Isto significa que a constante de tempo do circuito de entrada é bastante grande para possibilitar que a carga armazenada na pequena capacitância de entrada permaneça por tempo suficiente para que o dispositivo seja utilizável como elemento de memória em circuitos digitais.
  • Possui capacidade de dissipar potências elevadas e comutar grandes correntes em alguns nanossegundos.
  • É menos ruidoso do que um transistor bipolar, e, portanto mais adequando para estágios de entrada de amplificadores de baixo nível (é extensivamente usado em receptores FM de alta fidelidade).
  • Os MOSFETS quando utilizados na configuração complementar CMOS, a dissipação de potência quiescente é essencialmente nula em baixas frequências.


Resumo e Destaque para os Materiais


  • Tanto os diodos quanto os transistores são compostos por Átomos Tetravalentes, ou seja, da família do Carbono. Os mais comuns de serem encontrados nestes componentes eletrônicos são: O Silício e o Germânio. Que são Materiais Semicondutores.
  • Estes Materiais, quando Submetidos ao Processo de Dopagem, que consiste na inserção de átomos de outros materiais entre os átomos tetravalentes. Átomos da família do Boro, dão origem aos semicondutores do tipo P. Já os Átomos da Família do Nitrogênio, dão origem aos Semicondutores do tipo N. (P = positivo/falta de elétrons, N = negativo/excesso de elétrons)
  • Quando é feita a Junção dos dois tipos de Semicondutores, e essa junção é submetida à passagem de corrente, forma-se a polarização do material. De acordo com o sentido da corrente, dá-se a polarização do material.
  • Polarização Direta: P no positivo e N no negativo. Nesta condição, o diodo conduz corrente naturalmente, no caso deste ser ideal, a resistência é nula.
  • Polarização Inversa: N no Positivo e P no negativo. Submetido a esta configuração, o diodo age como um Resistor de elevada impedância, assim podemos interpretá-lo como um circuito aberto, no caso ideal.
  • O Diodo funciona com este princípio básico, que por sua vez é também o princípio do Transistor.
  • O transistor tem 3 terminais, sendo a Base, o Coletor, e o Emissor. Podemos interpretar o Transistor como sendo dois diodos, um da Base para o Emissor, e o outra da Base para o Coletor, ambos com o Negativo na Base.
  • Cada transistor pode ter uma função, normalmente os transistores de junção Bipolar são usados como amplificadores de sinal ou como interruptores para lógica de informática. Que abusa deste dispositivo e depende dele para melhorar sua capacidade de processamento.
  • Existem outros tipo de transistores também, tais como o de Unijunção e o de Efeito de Campo.
  • O de Unijunção é composto por um material semicondutor do tipo N ligado a um fio de Alumínio. Normalmente, este tipo de Transistor é utilizado em Osciladores.
  • O de Efeito de Campo é composto pelos mesmos materiais, com a diferença que a confecção é bem mais simples. normalmente é utilizado como amplificador ou chave.


  • 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.


Retificador Controlado de Silício


  • Um dos componentes mais utilizados em projetos que envolvem o controle de motores e de outras cargas de potência é o retificador controlado de silício ou SCR. Este semicondutor capaz de controlar correntes elevadas pode ser utilizado numa infinidade de projetos práticos de mecatrônica.
  • O SCR é um dispositivo de estado sólido usado no controle de potência ou controle de correntes elevadas. O SCR se comporta exatamente como um diodo, conduzindo a corrente entre o anodo e o catodo (num sentido único), por isso preferem chama-lo de diodo controlado de silício.
  • As correntes que os SCRs podem conduzir entre o anodo e o catodo são muito intensas, mesmo para dispositivos de baixo custo.
  • Desta forma, ligados em série com dispositivos diversos eles podem funcionar como “chaves” eletrônicas, ligando ou desligando esses dispositivos ou ainda “dosando” a potência aplicada.
    • Como funciona o SRC?
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