Filosofia do SemicondutorEstrutura da Matria A molcula a menor poro em que um material pode ser dividido sem que venha sofrer alteraes em suas propriedades. Da diviso de uma molcula , chega-se ao tomo. O tomo, porm, no conserva as propriedades do material original. Exemplo: molcula da gua.

tomo o elemento qumico que compe a molcula, formado por partculas denominadas eltrons, prtons e nutrons. Os prtons e os nutrons constituem o ncleo. Os prtons tm carga eltrica positiva e os nutrons no tm carga eltrica. Os eltrons tm carga eltrica negativa e giram ao redor do ncleo em rbitas concntricas.

As rbitas correspondem a sete diferentes nveis de energia em torno do ncleo com as denominaes seguintes: K, L, M, N, O, P e Q, sendo K a rbita mais interna e Q a mais externa.

Cada rbita pode conter um nmero mximo de eltrons:

Os elementos qumicos se distinguem pelo nmero total de eltrons que se distribuem em suas rbitas. A ltima rbita que contm eltrons denominada rbita de valncia, pois somente ele pode ceder ou receber eltrons. Logo, os eltrons de valncia so os nicos em condio de participar de fenmenos qumicos e/ou eltricos. Estabilidade dos tomos A estabilidade da maioria dos tomos obtida quando a sua ltima rbita contm oito eltrons. Na natureza apenas os gases nobres possuem essa caracterstica, tais como o argnio e o criptnio.

A ltima camada do argnio a M e a do criptnio a N, mas nos dois tomos essas rbitas apresentam-se com oito eltrons. Portanto, esses tomos so estveis. A maioria dos tomos no atinge a estabilidade sozinha, pois a rbita de valncia apresenta menos de oito eltrons. Assim, esses tomos precisam se unir com outros, cedendo, recebendo ou compartilhando eltrons, a fim de atingir a estabilidade. Essa unio pode ser dar atravs de duas maneiras diferentes: a eletrovalncia e a covalncia. Eletrovalncia

Existe eletrovalncia quando um dos tomos de uma molcula doa, definitivamente, eltrons aos tomos vizinho, que o recebe definitivamente, visando estabilidade. Isto pode ser observado na ligao eletrovalente entre os tomos de sdio ( ) e de cloro ( ), formando a molcula de (cloreto de sdio). Ligao Eletrovalente na Molcula de

Nessa molcula, o sdio ( ) cede, em carter definitivo, um eltron ao cloro ( ), de modo que ambos passem a ter oito eltrons na rbita de valncia. Desta forma, os dois tomos tornam-se estveis. Covalncia Existe covalncia quando os tomos compartilham eltrons para atingir a estabilidade. Um exemplo de ligao covalente ocorre entre dois tomos de oxignio ( ) e um de carbono ( ), formando a molcula de (dixido de carbono). Nessa molcula, os tomos de oxignio possuem seis eltrons na rbita de valncia, enquanto o carbono possui quatro. O compartilhamento de dois eltrons de cada tomo de oxignio com os quatro eltrons de carbono forma uma molcula estvel, como se os trs tomos tivessem oito eltrons na rbita de valncia. Os materiais condutores so formados por tomos cujos eltrons da rbita de valncia esto fracamente ligados ao ncleo, de modo que a temperatura ambiente tem energia suficiente para arranc-los da rbita, tornando-os livres. Assim, sob a ao de uma diferena de potencial, os eltrons livres passam a se locomover facilmente no interior do material condutor. Como exemplo de condutores pode-se considerar: o ouro, a prata, o cobre ou qualquer outro metal. Quanto maior o nmero de eltrons livres, maior a condutividade do material. Em relao ao da temperatura sobre a condutividade, importante observar

que o aumento da energia trmica provoca um movimento desordenado nos eltrons livres, causando choques entre eles, o que dificulta a conduo. Os materiais isolantes so formados por tomos cujos eltrons da rbita de valncia esto fortemente ligados ao ncleo, de modo que a temperatura ambiente no tem energia suficiente para arranc-los da rbita. Portanto, h pouqussimos eltrons livres. Assim, a ao de uma diferena de potencial no provoca fluxo de eltrons no interior do material isolante. Destacam-se, como isolantes, a borracha, a mica, a porcelana, entre outros. Semicondutores Estrutura Atmica Os materiais semicondutores mais comuns so o silcio ( ) e o germnio ( ), que em estado puro apresentam-se na forma de um cristal, significando que seus tomos acham-se dispostos uniformemente em uma configurao rgida. Esses materiais so tetravalentes, ou seja, possuem quatro eltrons na rbita de valncia. Estruturas Atmicas do Silcio e do Germnio

Como a estabilidade atingida com oito eltrons na ltima rbita, cada tomo desses materiais faz quatro ligaes covalentes com quatro tomos vizinhos, tornando-se estveis e dando origem seguinte estrutura cristalina.

Da forma como se apresenta esse semicondutor em uma temperatura muito baixa,

ao se aplicar uma tenso, no h corrente, pois os eltrons acham-se presos s ligaes de valncia, ou seja, no h eltrons livres para a conduo. Para que haja corrente necessrio romper as ligaes covalentes mediante o fornecimento de energia suficiente para isso, nas formas de luz, de calor, etc. Semicondutores Gerao de Pares Eltron-Lacuna Se houver o rompimento de uma ligao covalente, ocorrer a liberao de um eltron e, como conseqncia, haver o surgimento de um espao vazio no qual esse eltron se encontrava. A esse espao vazio d-se o nome de lacuna. Portanto, o rompimento de cada ligao covalente gera um par eltron-lacuna. A lacuna comporta-se como uma carga positiva, pois pode se mover de um lado a outro do cristal, sempre no sentido contrrio ao movimento do eltron Conduo de Eletricidade por Eltrons e Lacunas

Do esquema de conduo apresentado, observa-se que quem realmente tem mobilidade so os eltrons livres. Ao se deslocarem em direo ao potencial positivo da fonte, eles ocupam sucessivas lacunas. Por essa razo diz-se que as lacunas deslocam-se em sentido contrrio ao deslocamento dos eltrons, isto , em direo ao potencial negativo da fonte. Quando os eltrons e as lacunas se movimentam, h a possibilidade de ambos se recombinarem, eliminando, dessa maneira, um par eltron-lacuna. Desta forma, nem indefinidamente. as lacunas nem os eltrons conservam-se livres

Como concluso pode-se afirmar que o material semicondutor possui dois tipos de correntes ou portadores de cargas. As lacunas so os portadores positivos e os eltrons so os portadores negativos. Na realidade, a prpria temperatura ambiente responsvel por fornecer energia suficiente para a gerao de alguns poucos pares eltron-lacuna, fazendo com que esse semicondutor puro tenha uma pequena condutividade. Processo de Dopagem nos Semicondutores Dopagem o nome do processo utilizado para construir os semicondutores tipo P e

tipo N por meio da adio ao silcio ou ao germnio de quantidades bem reduzidas e definidas de impurezas. Entende-se por impureza todo tomo que seja diferente ao tomo de silcio ou ao de germnio. Formao do Semicondutor Tipo P Para a formao do semicondutor tipo P so adicionados ao silcio ou ao germnio tomos de elementos trivalentes. Trivalentes so os elementos que possuem trs eltrons em suas rbitas de valncia, como, por exemplo, o alumnio, o ndio, o boro e o glio. Ao se introduzir no silcio, que tetravalente, uma pequena quantidade de material trivalente, os eltrons dessa impureza faro ligaes covalentes com os eltrons do silcio. Gerao de Lacuna por Dopagem Trivalente

No entanto, falta um eltron para completar a ligao em cada tomo trivalente, pois ele colaborou apenas com trs eltrons, enquanto o silcio possui quatro eltrons. Essa falta de um eltron faz com esse elemento assim constitudo haja como uma carga positiva, ou seja, como uma lacuna. Porm, importantssimo ressaltar que esse novo elemento eletricamente neutro, pois tanto o tomo de silcio como o do material trivalente tambm so eletricamente neutros. Assim, de um modo artificial, consegue-se gerar lacunas sem gerar eltrons livres. Esse semicondutor, que se apresenta com excesso de lacunas ou com falta de eltrons denominado de tipo P. Na realidade o semicondutor tipo P tambm possui eltrons livres gerados temperatura ambiente, mas eles so em nmero menor. Concluindo, no semicondutor tipo P os portadores majoritrios so as lacunas ao passo que os portadores minoritrios so os eltrons. Formao do Semicondutor Tipo N

Para a formao do semicondutor tipo N so adicionados ao silcio ou ao germnio tomos de elementos pentavalentes. Pentavalentes so os elementos que possuem cinco eltrons em suas rbitas de valncia, como, por exemplo, o antimnio, o fsforo e o arsnio. Ao se introduzir no silcio, que tetravalente, uma pequena quantidade de material pentavalente, os eltrons dessa impureza faro ligaes covalentes com os eltrons do silcio. Gerao de Eltron Livre por Dopagem Pentavalente

No entanto, h uma sobra de um eltron livre do tomo pentavalente, pois ele no faz ligao covalente com nenhum eltron dos tomos de silcio. Porm, importantssimo ressaltar que esse novo elemento eletricamente neutro, pois tanto o tomo de silcio como o do material pentavalente tambm so eletricamente neutros. Assim, de um modo artificial, consegue-se gerar eltrons livres sem gerar lacunas. Esse semicondutor, que se apresenta com excesso de eltrons ou com falta de lacunas denominado de tipo N. Na realidade o semicondutor tipo N tambm possui lacunas gerados temperatura ambiente, mas eles so em nmero menor. Concluindo, no semicondutor tipo N os portadores majoritrios so os eltrons ao passo que os portadores minoritrios so as lacunas. Formao dos Semicondutores Tipo N e Tipo P O processo de dopagem nos semicondutores ocorre de forma absolutamente semelhante com o germnio, que tambm um elemento tetravalente, tanto quando forem introduzidas impurezas trivalentes, para a obteno do semicondutor tipo P, quanto quando forem introduzidas impurezas pentavalentes, para a obteno do semicondutor tipo N. Influncia da Temperatura nos Semicondutores

Nos condutores, o aumento da temperatura provoca um movimento desordenado de eltrons, aumentando as colises e, conseqentemente, a resistncia do material. J nos semicondutores ocorre totalmente o inverso. O aumento da temperatura diminui a resistncia devido ao aumento da gerao de pares eltronlacuna. A prpria expresso semicondutor apresenta uma sugesto sobre sua caracterstica. O prefixo semi normalmente aplicado a uma faixa de nveis situada entre dois limites. O termo condutor aplicado a qualquer material que sustenta um fluxo de uso de carga, quando uma fonte de tenso de amplitude limitada aplicada atravs de seus terminais. Um isolante o material que oferece um nvel muito baixo de condutividade sob presso de uma fonte de tenso aplicada. Um semicondutor , portanto, o material que possui um nvel de condutividade entre os extremos de um isolante e um condutor. Inversamente relacionada condutividade de um material est sua resistncia ao fluxo de carga, ou corrente. Isto , maior o nvel de condutividade, menor o nvel de resistncia. Na prtica o termo resistividade geralmente usado quando se compara aos nveis de resistncia dos materiais. A prxima tabela apresenta alguns valores tpicos comparativos de resistividade para materiais condutores, isolantes e semicondutores.

Embora possam ser familiares as propriedades eltricas do cobre e da mica, as caractersticas dos materiais semicondutores do germnio (Ge) e do silcio (Si) podem ser relativamente inditas. Certamente, eles no so os nicos dois elementos semicondutores disponveis na natureza, mas so, certamente, os elementos que tiveram maior interesse da cincia, em face de certas caractersticas especficas, ainda que, entre os dois, exista uma preferncia pelo silcio em detrimento ao germnio. Uma considerao relevante sobre este fato est consubstanciada na constatao de que eles podem ser fabricados em um nvel muito grande de pureza. De fato, avanos recentes na tecnologia tm possibilitado reduzir sensivelmente os nveis de impureza no material para uma parte por 10 bilhes (1 : 10.000.000.000).

A incluso de nveis de impureza, obviamente do tipo e da quantidade adequados a uma pastilha (wafer) do material de silcio, por exemplo, pode alterar as caractersticas de condutividade eltrica desse elemento. Essa mudana suficiente para transformar um condutor relativamente pobre em um bom condutor de eletricidade. A este processo, que corresponde a capacidade de se alterar as caractersticas do material, d-se o nome de dopagem. Algumas das qualidades particulares do germnio e do silcio so devidas as suas estruturas atmicas. Os tomos de ambos os materiais formam um modelo bem preciso, que peridico por excelncia. Um modelo completo denominado cristal, assim como um arranjo peridico dos tomos recebe o nome de rede. Para esses materiais, o cristal tem a estrutura de diamante tridimensional.

Qualquer material composto apenas de estruturas cristalinas repetidas do mesmo tipo chamado de uma singular estrutura de cristal. Para materiais semicondutores de aplicao prtica no campo da eletrnica, esta caracterstica de cristal singular existe e, alm disso, a periodicidade da estrutura no muda significativamente com a adio de impurezas no processo de dopagem. Bandas de Energia Genericamente, um tomo formado por eltrons que giram ao redor de um ncleo composto por prtons e nutrons, sendo que o nmero de eltrons, prtons e nutrons diferente para cada tipo de elemento qumico. Os eltrons giram em rbitas ou nveis bem definidos, conhecidos como K, L, M, N, O, P, e Q, que representa o modelo atmico de Bohr.

Quanto maior a energia do eltron, maior o raio de sua rbita. Assim, um eltron da rbita Q tem mais energia que um eltron da rbita P. Este, por sua vez, tem mais energia que um eltron da rbita O e assim por diante. A energia de cada uma das rbitas pode ser facilmente esquematizada.

A mecnica quntica estuda de forma profunda esta relao entre os raios das rbitas possveis, os nveis de energia correspondentes e o nmero mximo de eltrons permitido em cada rbita. No entanto, para o estudo dos materiais semicondutores, necessrio, apenas, observar que um eltron precisa estar a uma determinada distncia (rbita) do ncleo e com uma determinada velocidade (energia cintica) para que a fora centrfuga sobre ele, orientada radialmente e para fora do tomo, equilibre-se com a fora eletrosttica entre ele e o ncleo, orientada radialmente em direo ao ncleo (atrao eletrosttica), tornando-o estvel.

Estas condies de estabilidade dos eltrons em determinadas rbitas fazem com que em cada uma delas seja possvel um nmero mximo de eltrons.

A ltima rbita de um tomo define a sua valncia, ou seja, a quantidade de eltrons desta rbita que pode se libertar do tomo atravs do bombardeio de energia externa (calor, luz ou outro tipo de radiao) ou se ligar a outro tomo atravs de ligaes covalentes (compartilhamento dos eltrons da ltima rbita de um tomo com os eltrons da ltima rbita de outro tomo). Esta rbita mais externa recebe, por isso, o nome de rbita de valncia ou banda de valncia. Os eltrons da banda de valncia so os que tm mais facilidade de sair do tomo. Em primeiro lugar, porque eles tm uma energia maior e, em segundo lugar, porque, por estar a uma distncia maior em relao ao ncleo do tomo, a fora de atrao eletrosttica menor. Com isso, uma pequena quantidade de energia recebida faz com que eles se tornem eltrons livres, formando assim, uma banda de conduo, sendo capazes de se movimentar pelo material. So estes eltrons livres que, sob a ao de um campo eltrico, formam a corrente eltrica.

Da mesma forma, caso a banda de valncia no possua o nmero mximo de eltrons permitido, ela a responsvel pelas ligaes covalentes com outros tomos de forma a tornar a ligao atmica estvel.

O fato dessas rbitas estarem a distncias bem definidas em relao ao ncleo do tomo, faz com que entre uma rbita e outra exista uma regio onde no possvel existir eltrons, denominada banda proibida. O tamanho dessa banda proibida na ltima camada de eltrons define o comportamento eltrico do material, onde esto representadas as trs situaes lgicas possveis.

No primeiro caso, um eltron, para se livrar do tomo, tem que dar um salto de energia muito grande. Desta forma, pouqussimos eltrons tm energia suficiente para sair da banda de valncia e atingir a banda de conduo, fazendo com que a corrente eltrica neste material seja sempre muito pequena. Essa uma caracterstica dos materiais isolantes. No segundo caso, um eltron pode passar facilmente da banda de valncia para a banda de conduo sem precisar de muita energia. Isso acontece principalmente nos materiais metlicos, onde a prpria temperatura ambiente suficiente para o surgimento de uma grande quantidade de eltrons livres. Essa uma caracterstica dos materiais condutores. O terceiro caso uma situao intermediria entre os dois outros. Um eltron precisa dar um salto para sair da banda de valncia e atingir a banda de conduo, mas um salto pequeno e, por isso, esses materiais possuem caractersticas intermedirias em relao aos dois anteriores, sendo estes os materiais semicondutores. Estas diferenas entre os diversos materiais podem ser explicadas em funo de alguns fatores:

Composio qumica caracteriza os elementos qumicos que formam o material: cobre, carbono, silcio, etc. Ligao caracteriza o tipo de ligao que une os elementos qumicos desses materiais: covalente, inica ou metlica. Forma de organizao caracteriza a forma como os tomos desses elementos se organizam entre si (estrutura amorfa, quando esto desorganizados; estrutura cristalina, quando esto organizados). Todos esses fatores determinam o nmero de rbitas e a intensidade das foras de atrao e de repulso das cargas eltricas presentes nos tomos e, por isso, influenciam nas posies das rbitas e no tamanho das bandas proibidas. Materiais Semicondutores Intrnsecos O germnio e o silcio so exemplos dos chamados materiais semicondutores intrnsecos. Estes dois elementos caracterizam-se por serem tetravalentes, ou seja, por possurem quatro eltrons na camada de valncia.

Esta observao constatada quando se observa que o tomo de germnio possui 32 eltrons orbitando em torno de seu ncleo, enquanto o tomo de silcio possui 14 eltrons. A tabela seguinte apresenta a distribuio de eltrons para os tomos de germnio e de silcio.

Em um cristal puro de germnio ou de silcio, estes quatro eltrons de valncia esto ligados a quatro tomos de ligao, constituindo as ligaes covalentes do

tomo.

O silcio o material mais utilizado em razo de ser abundante na natureza. Pode ser obtido a partir do quartzo que prolifera na areia das praias e na terra. Portanto, ele muito mais barato que os demais componentes semicondutores. Conduo Eltrica nos Semicondutores Seja um eltron que se libertou do tomo por ter recebido energia suficiente, tornando-se livre. O tomo fica, ento, com uma ligao incompleta e, como ele perdeu um eltron, est ionizado positivamente.

Aps um determinado tempo, observando-se novamente a estrutura deste semicondutor, pode-se constatar que aquele on positivo andou.

Em outras palavras, ocorreu algum tipo de fenmeno no qual os tomos, embora presos estrutura do material semicondutor, mudaram de posio. Na verdade, no foi o on que mudou de posio, mas outro eltron que saiu do seu tomo de origem e ocupou a lacuna deixada pelo eltron anterior, completando aquela ligao, deixando, porm, outra ligao incompleta, ou seja, criando outro on positivo. Portanto, a movimentao do on positivo num sentido corresponde, na realidade, movimentao do eltron no sentido contrrio. Este movimento dos ons positivos pode ser entendido como um movimento de partculas positivas chamadas de lacunas. Portanto, cientificamente, o movimento dos eltrons (partculas negativas) num sentido significa a mesma coisa que o movimento das lacunas (partculas positivas) no sentido contrrio. Este fenmeno ocorre sempre que existe a conduo eltrica. Num material condutor submetido a um potencial eltrico, pelo fato de ele possuir muitos eltrons livres, o movimento das lacunas desprezvel. Porm, nos materiais semicondutores intrnsecos, como para cada eltron livre gerado tem-se uma lacuna correspondente, o movimento destas no pode ser desconsiderado e, portanto, quando um semicondutor submetido a um potencial eltrico, tanto a conduo dos eltrons num sentido quanto a das lacunas no sentido contrrio so importantes. Materiais Extrnsecos As caractersticas dos materiais semicondutores podem ser alteradas significativamente pela adio de certos tomos de impurezas no material semicondutor relativamente puro. Estas impurezas, embora talvez adicionadas apenas uma parte em 10 milhes, podem alterar suficientemente a estrutura de banda para modificar totalmente as propriedades eltricas do material.

Um material semicondutor que tem estado sujeito ao processo de dopagem chamado material extrnseco. Existem dois materiais extrnsecos de importncia imensurvel para a fabricao de um dispositivo semicondutor: tipo N e tipo P. Material Tipo N Tanto o material do tipo N quanto o do tipo P so formados pela adio de um nmero predeterminado de tomos de impureza em uma base de germnio ou de silcio. O tipo N criado introduzindo-se os elementos de impureza que tm cinco eltrons de valncia (pentavalente), como o antimnio (Sb), o arsnio (As) e o fsforo (P). O efeito de tais elementos de impureza est mostrado na figura a seguir, na qual foi utilizado o antimnio como a impureza em uma base de silcio.

Note que as quatro ligaes covalentes ainda esto presentes, entretanto existe um quinto eltron adicional devido ao tomo de impureza, que est desassociado com qualquer ligao covalente particular. Este eltron restante, fracamente ligado a seu tomo de origem (antimnio), est relativamente livre para mover-se dentro do material tipo N recentemente formado. Desta forma, o tomo de impureza inserido contribuiu com um eltron relativamente livre para a estrutura. Sendo assim, as impurezas dispersas com cinco eltrons de valncia so chamadas tomos doadores.

importante compreender que mesmo que um grande nmero de portadores livres tenha sido estabelecido no material tipo N, ele continua sendo um elemento eletricamente neutro, pois o nmero de prtons carregados positivamente no ncleo ainda igual ao nmero de eltrons que esto orbitando e mais os livres, carregados negativamente na estrutura.

Material Tipo P O material tipo P formado dopando-se um cristal puro de germnio ou de silcio, com tomos de impureza apresentando trs eltrons de valncia (trivalentes). Os elementos mais freqentemente usados para este propsito so o boro (B), o glio (Ga) e o ndio (In). O efeito de um destes elementos, o boro, sobre uma base de silcio est indicado na figura a seguir. Note que existe agora um nmero insuficiente de eltrons para completar as ligaes covalentes da rede recentemente formada. A lacuna resultante chamada de buraco, e representada por um pequeno crculo ou sinal positivo devido ausncia de uma carga negativa. Desta forma, a lacuna resultante ir aceitar rapidamente um eltron livre.

Sendo assim, as impurezas dispersas com trs eltrons de valncia so chamadas tomos aceitadores. O material tipo P resultante eletricamente neutro, pelas mesmas razes descritas para o material tipo N. Fluxo de Eltrons e de Lacunas Se um eltron de valncia adquire energia cintica suficiente para quebrar sua ligao covalente e preencher o vazio criado por uma lacuna, ento, na ligao covalente que liberou o eltron ser criada uma lacuna, ou um buraco. Este o efeito da lacuna na conduo.

Existe, portanto, uma transferncia de lacunas para a esquerda, e de eltrons para a direita. A direo considerada a do fluxo convencional, que est indicada pela direo do fluxo de lacunas ou de buracos. Portadores Majoritrios e Minoritrios No estado intrnseco, o nmero de eltrons livres no germnio ou no silcio devido somente queles poucos eltrons na banda de valncia que adquiriram suficiente energia das fontes externas, trmicas, luminosas ou outras quaisquer, para quebrarem a ligao covalente, ou para as poucas impurezas que no podem ser removidas. As lacunas deixadas para trs na estrutura de ligao covalente representam uma fonte muito limitada de buracos. Em um material tipo N, o nmero de buracos no mudou muito deste nvel intrnseco. O resultado, ento, que o nmero de eltrons excede o nmero de buracos. Por isso pode-se dizer que: Em um material tipo N o eltron chamado de portador majoritrio e a lacuna de portador minoritrio.

Para o material tipo P, o nmero de lacunas excede o nmero de eltrons. Por isso

pode-se dizer que: Em um material tipo P a lacuna chamada de portador majoritrio e o eltron de portador minoritrio.

Quando o quinto eltron de um tomo doador deixa o tomo de origem, este tomo adquire uma carga positiva lquida. Por conseqncia, o sinal positivo na representao do on doador. Por motivos semelhantes, o sinal negativo aparece no on aceitador. Os materiais tipo N e tipo P representam os blocos bsicos de edificao dos sistemas semicondutores. Diodo Semicondutor A partir dos semicondutores tipo N e tipo P, possvel construir diversos dispositivos, entre eles o diodo semicondutor, com aplicaes extremamente importantes para o projeto de sistemas eletrnicos. O diodo semicondutor constitudo basicamente por uma juno PN, ou seja, pela unio fsica de um material tipo P (cujos portadores majoritrios so as lacunas) com um tipo N (cujos portadores majoritrios so os eltrons). No momento em que ocorre a unio, os eltrons e as lacunas na regio de juno se combinam, resultando em uma ausncia de portadores na regio prxima juno.

Efetuando-se esta unio, o excesso de eltrons do material tipo N tende a migrar para o material tipo P, visando tanto o equilbrio eletrnico (equilbrio das densidades de eltrons nos dois materiais), como a estabilidade qumica, pois cada tomo do material tipo N que perde um eltron fica com oito eltrons na sua camada de valncia, o mesmo acontecendo com cada tomo do material tipo P que tem a sua lacuna ocupada por este eltron. Este fenmeno da ocupao de uma lacuna por um eltron chamado de recombinao.

Como o processo de recombinao ocorre inicialmente na regio prxima juno, acontece um fenmeno bastante interessante que o da formao de uma camada ou zona de depleo. Depleo significa diminuio ou ausncia e, neste caso, esta palavra corresponde ausncia de portadores majoritrios na regio prxima juno PN. O surgimento dessa camada se d na medida em que os tomos do material tipo P prximos juno recebem os primeiros eltrons preenchendo suas lacunas. No lado N forma-se uma regio de ons positivos (falta de eltrons) e, no lado P, uma regio com ons negativos (excesso de eltrons), dificultando ainda mais a passagem de eltrons do material tipo N para o material tipo P. Assim, a partir de certo momento, este fluxo de eltrons cessa e esta regio ionizada (camada de depleo) fica com ausncia de eltrons e lacunas, que so os responsveis pela corrente eltrica.

Como a camada de depleo fica ionizada, cria-se uma diferena de potencial na

juno chamada de barreira de potencial, cujo smbolo

.

Esta diferena de potencial , a 25C de aproximadamente 0,7 V para os diodos de silcio e de 0,3 V para os diodos de germnio

Cada lado do diodo semicondutor recebe um nome: o lado P chama-se anodo (A) e o lado N chama-se catodo (K).

Na anlise apresentada no se levou em considerao a quantidade de impurezas que cada material recebeu. Normalmente, acrescentado cerca de um tomo de impureza para cada cem mil tomos de semicondutor. Essa quantidade pode variar de dispositivo para outro e, num mesmo dispositivo, o lado N pode ter uma concentrao de impurezas diferente em relao ao lado P. Polarizao da Juno PN Aplicando-se uma tenso nos terminais do diodo, a camada de depleo se modifica, alterando tambm as caractersticas da barreira de potencial. Estas modificaes dependem do sentido da polarizao do diodo. Polarizao Direta A polarizao direta ocorre quando o potencial positivo da fonte ligado no lado P e o potencial negativo da fonte ao lado N. A juno PN, ou seja, o diodo semicondutor fica polarizado diretamente.

Com

, os eltrons do lado N ganham mais energia porque so e so

repelidos pelo terminal negativo da fonte, rompem a barreira de potencial atrados para o lado P, atravessando, assim, a juno

No lado P, eles recombinam-se com as lacunas, tornando-se eltrons de valncia, mas continuam deslocando-se de lacuna em lacuna, pois so atrados pelo terminal positivo da fonte, formando uma corrente eltrica de alta intensidade ( ou ), fazendo com que o diodo semicondutor se comporta como um condutor muitssima pequena.

ou uma resistncia direta

Polarizao Reversa A polarizao reversa ocorre quando o potencial negativo da fonte ligado no lado P e o potencial positivo da fonte ao lado N. Nestas condies a juno PN, ou seja, o diodo semicondutor se encontra reversamente polarizado.

Por causa da polarizao reversa, os eltrons do lado N so atrados para o terminal positivo da fonte e as lacunas para o terminal negativo da fonte. Com isso, formam-se mais ons positivos no lado N e ons negativos no lado P, aumentando, assim, a camada de depleo e, conseqentemente, a barreira de potencial. A barreira de potencial aumenta at que sua diferena de potencial se iguale tenso da fonte de alimentao. Portanto, quanto maior a tenso da fonte, maior ser a barreira de potencial. Desta forma, os portadores majoritrios de cada lado do diodo (lacunas no lado P e eltrons no lado N) no circulam pelo circuito. Todavia, existe uma corrente muito pequena formada pelos portadores

minoritrios (eltrons no lado P e lacunas no lado N), muitos deles criados continuamente pela energia trmica a temperatura ambiente. Esta pequena corrente eltrica chamada corrente reversa ( ) estando limitada aos portadores minoritrios, ou seja, ela no aumenta proporcionalmente tenso reversa aplicada ao diodo, sendo considerada desprezvel na grande maioria dos casos. Assim, o diodo se comporta como se fosse um circuito aberto ou uma resistncia reversa altssima.

Assim, o diodo semicondutor um dispositivo que conduz apenas quando estiver polarizado diretamente. Quando ele estiver polarizado reversamente ele deixa de conduzir. Este fato fez com que este dispositivo pudesse substituir a antiga vlvula diodo, com a vantagem de dissipar menos potncia e ter dimenses muito menores. Princpio de Funcionamento A compreenso plena do funcionamento do diodo semicondutor est associada anlise grfica de seu comportamento eltrico atravs da curva caracterstica que mostra a variao da corrente em funo da tenso aplicada aos terminais de um diodo. Princpio de Funcionamento

Obs.: Nos manuais dos fabricantes, Este grfico sinaliza que para tenses negativas (polarizao reversa) a corrente praticamente nula, caracterizando uma resistncia eltrica muito alta, sendo esta tenso limitada por (tenso de ruptura ou breakdown voltage). a corrente baixa, mas

Para tenses positivas (polarizao direta), at acima de

ela passa a ser bastante alta, caracterizando uma resistncia ou .

eltrica muito baixa, sendo esta corrente eltrica limitada por

Esta curva tambm mostra que, como todo dispositivo eltrico e eletrnico, o diodo semicondutor tem determinadas caractersticas e limitaes que se constituem nas especificaes fornecidas pelos fabricantes e constantes das folhas de informaes dos componentes (datasheet). Principais Especificaes do Diodo Semicondutor

Como a juno PN possui uma barreira de potencial natural ( direta s existe corrente eltrica se a tenso aplicada ao diodo

), na polarizao for:

Na polarizao direta, existe uma corrente mxima que o diodo pode conduzir ( ou cuja relao : ) e uma potncia mxima de dissipao ( ou ),

Na polarizao reversa, existe uma tenso reversa mxima que pode ser aplicada ao diodo chamada tenso de ruptura ou breakdown voltage ( ).

Na polarizao reversa existe uma corrente muito pequena denominada corrente reversa ( ). tipo 1N4001 tem as seguintes

Como exemplo, o diodo semicondutor especificaes dadas pelo fabricante:

Reta de Carga A conexo de um diodo a uma fonte de alimentao deve ser realizada sempre se utilizando um resistor limitador em srie, para proteg-lo contra a corrente mxima, no qual o resistor limitador o prprio resistor de carga .

Denomina-se ponto de trabalho ou ponto de operao ou ponto quiescente ( do diodo os valores de tenso submetido num circuito. O ponto e de corrente

)

aos quais ele est

pode ser obtido atravs da curva caracterstica do diodo, na qual

traa-se uma reta de carga.

Para traar a reta de carga, devem-se realizar os seguintes passos: 1) Determina-se a tenso de corte aberto ( )]. [tenso no diodo quando ele estiver

Determina-se a corrente de saturao em curto ( )].

[corrente no diodo quando ele estiver

Traa-se a reta de carga sobre a curva caracterstica do diodo. O ponto quiescente ( ponto e ) corresponde exatamente s coordenadas do

onde a reta de carga intercepta a curva caracterstica do diodo.

5) Pode-se, tambm, calcular a potncia de dissipao do diodo pela expresso:

Modelos de Diodos Idealmente, o diodo um dispositivo que bloqueia toda a passagem de corrente eltrica num sentido e permite a passagem no outro sentido. Sempre que os valores de tenso presentes no circuito forem muito maiores que pode-se considerar o diodo como um elemento ideal.

Porm, quando o valor de no for desprezvel, necessria a utilizao de um modelo para o diodo, ou seja, a sua substituio por um circuito equivalente para que os clculos relativos quele circuito possam ser realizados com maior preciso. A vantagem em se utilizar um modelo est no fato de que este facilita os clculos em circuitos mais complexos, tornando-os mais simples do que o trabalho feito a partir da curva caracterstica e da reta de carga. Existem basicamente trs modelos para o diodo, que devem ser utilizados de acordo com as caractersticas do circuito e da preciso desejada para os clculos: Modelo 1 Diodo Ideal Este modelo considera o diodo comportando-se como um condutor na polarizao direta e como um circuito aberto na polarizao reversa, isto , como uma chave ON-OFF (polarizao direta chave posio ON e polarizao reversa chave posio OFF).

Modelo 2 Diodo com Este modelo considera o diodo comportando-se como um condutor em srie com uma bateria de valor polarizao reversa. na polarizao direta e como um circuito aberto na

Modelo 3 Diodo com

e

(ou Modelo Linear)

Este modelo o mais prximo do real e considera o diodo comportando-se como um condutor em srie com uma bateria de valor e uma resistncia correspondente inclinao de sua curva caracterstica na polarizao direta e como um circuito aberto na polarizao reversa.

Especificaes dos Diodos Os fabricantes de dispositivos semicondutores, por meio de manuais (data book), catlogos ou Internet, fornecem diversas especificaes dos diodos para operao em circuitos CC (ou DC) e CA (ou AC).

Diodos Comerciais Alguns tipos de diodos retificadores e de pequenos sinais encontrados comercialmente esto, bem como as suas principais caractersticas e especificaes CC so vistos a seguir:

Circuitos Retificadores Onda Senoidal A onda senoidal o mais bsico dos sinais eltricos. Ela usada freqentemente, por exemplo, para testar circuitos eletrnicos. Alm disso, sinais complicados

podem ser reduzidos a uma superposio de vrias ondas senoidais. A idia a de rever, de uma forma sucinta, os valores de uma senide necessrios para a abordagem de circuitos contendo diodos. Valor de Pico Observe a seguinte onda senoidal:

Valor de Pico Esta curva corresponde a um grfico de:

onde: ... tenso instantnea ... tenso de pico ou amplitude do sinal ... ngulo em graus ou radianos A tenso aumenta de zero at um mximo positivo de 90. Diminui para zero em 180, atinge um mximo negativo em 270 e volta a zero em 360. possvel elaborar uma tabela que apresente alguns valores instantneos que importante conhecer. Devido simetria de uma onda senoidal, pode-se calcular, facilmente, os valores em 120, 150, 180, 210, etc. o valor de pico de uma onda seno, ou seja, o valor mximo que ela atinge. A senide tem um pico positivo em 90 e um pico negativo em 270.

Valor de Pico a Pico O valor pico a pico de qualquer sinal a diferena entre o seu mximo e se mnimo algbrico:

Para a senide, o valor de pico a pico ser:

Em outras palavras, o valor de pico a pico de uma onda senoidal o dobro do valor de pico. Dada uma senide com um valor de pico de 18 V, o valor pico a pico ser de 36 V.

Valor Eficaz (rms) Se uma tenso senoidal aparecer atravs de um resistor, ela produzir uma corrente senoidal em fase atravs do resistor. O produto da tenso instantnea pela corrente d a potncia instantnea, cuja mdia durante um ciclo resulta numa dissipao mdia de potncia. Em outras palavras, o resistor dissipa uma quantidade constante de calor, como se houvesse uma tenso CC atravs dele. O valor rms (raiz mdia quadrada, ou do ingls root mean square) de uma onda senoidal, tambm chamado valor eficaz ou valor de aquecimento, definido como a tenso CC que produz a mesma quantidade de calor que a onda senoidal. O valor eficaz definido como sendo:

Tenso da Linha As companhias de energia eltrica geralmente fornecem uma tenso de linha de 127 Vrms ou 220 Vrms com uma tolerncia de 5% e uma freqncia de 60 Hz. Atravs da definio de valor eficaz, pode-se escrever, para o primeiro caso: