1

Capítulo – III 6 A TEORIA DOS DISPOSITIVOS ELETRÔNICOS 6 3. 1 - Introdução 6

3. 2 - Princípios da Mecânica Quântica 7

3.2.1 - Princípio da Incerteza e a dualidade onda-partícula 7 3.2.2 - O modelo atômico dos Níveis de Energia e as transições eletrônicas 8 3.2.3 - A regra da quantização de Einstein-Planck 8 3. 3 - Átomo de hidrogênio e a teoria quântica dos níveis de energia 10

3.3.1 - Níveis de Energia 10 3.3.2 - Números quânticos 11 3. 4 - Átomos maiores- níveis de energia mais complexos 12

3. 5 - O cristal 12

3.5.1 - Rede de Bravais. 12 3.5.2 - Níveis de energia muito próximos em uma rede e Bandas de Energia 13 3.5.3 - Princípio da Exclusão de Pauli 14 3. 6 - Estatística Fermi - Dirac 15

3. 7 - Física dos Semicondutores 18

3.7.1 - Densidade de Portadores 18 3. 8 – Condução em Semicondutores 21

Condutores, Semicondutores e Isolantes 21 3.8.1 - Faixas ou Bandas de Energia 22 Estrutura de um Semicondutor 23 3.8.2 - Cálculo da Corrente Máxima para o Germânio 25 Condutibilidade Intrínseca 26 3.8.3 - Semicondutor (Silício) Intrínseco e Extrínseco 27 3.8.3 - Fabricação do Semicondutor (Silício) Tipo - N 27 O Cristal N 29 Condução em um Cristal N 30 3.8.4 - Fabricação do Semicondutor (Silício) Tipo – P. 30 O Cristal P 32 Condução em um Cristal P 33 3.8.5 - Emissão por Semicondução 34 3.8.6 - Correntes nos Semicondutores 35 3.8.7 - Correntes Deriva em uma Junção 36 3.8.8 - Correntes de Difusão em uma Junção 36 3.8.9 - Geração e combinação 37 Junção PN 37 Efeito de uma Tensão sobre a Junção 38 3. 9 - Dispositivos eletrônicos 38

3. 10 – Diodos semicondutores 39

3.10.1 – Diodo semicondutor de junção - PN 39 3.10.2 – Características da junção - PN 40

2

3.10.3 - Polarização Direta 42 3.10.4 - Polarização Inversa 43 Curva característica do Diodo 44 3. 11 – Diodo Zener 45

3.11.1 - Regulador de tensão a diodo zener 46 3. 12 – Diodos Especiais 47

3. 7.1 - LED - Diodo Emissor de Luz 47 3. 7.2 - Limitações de um LED 50 3. 13 – Diodos Emissores De Luz ( LEDs ) 52

Dimensionamento do Resistor Limitador de Corrente & Característica I X V do Led 55 3. 14 – Foto-emissão e foto-recepção em junções pn 57

Absorção e Emissão de Luz em Materiais com Impurezas 57 Fotodetetores 57 Fotodiodos 58 3.12.1 - Diodo Tunel 59 3.12.2 - Diodo Varactor 60 3.12.3 - Diodo PIN 61 3.12.4 - Diodo Impatt ( Impact Avalanch Transit Time) 61 3.12.5 - Diodo Hot Carrie ou Diodo Schottky 62 3.12.6 - Diodo Lambda 62 3.12.7 - Diodo Gunn 63 3. 15 - Retificadores 64

Definições 64 3. 16 - Tipos de Retificadores: 65

Retificadores (monofásicos) de Meia Onda 65 Retificador de Onda Completa (em ponte) ou Retificador (monofásico) de onda completa 65 Retificador de Onda Completa (Trafo com Tomada Central (C.T.)) 66 3. 17 – Transistor 68

3.17.1 - Antecedentes e ambiente histórico 68 3.17.2 - Biografia dos Inventores 69 3.17.3 – Tipos de Transistores 72 3. 18 – Transistor de Junção 73

3.12.1 - Construção do Transistor de junção Bipolar 73 3.12.2 – Teste do Transistor de Junção Bipolar 75 3.12.2 - Polarização de Transistores de Junções 76 3. 19 – Funcionamento do transistor 79

Transistor NPN 80 Transistor PNP 81 3.13.4 - Efeito transistor 82 3.13.6 - Potências dissipadas: 85 3. 20 – Tipos de Montagens ou Configurações Básicas do Transistor Bipolar 88

3

a) Montagem ou Configuração Base-Comum (Amplificador de Tensão) 88 b) Montagem ou Configuração Emissor-Comum (Amplificador de Potência) 89 c) Montagem ou Configuração Coletor-Comum: Seguidor Emissor (Amplificador de Corrente) 92 3. 21 – Transistor de Junção em Baixas Freqüências – Modelo Híbrido 94

O Transistor de Efeito de Campo - FET 101

3. 22 - Introdução aos Tiristores, SCR, TRIAC 107

Trava ideal a transistores 107 Funcionamento 107 SCR: 108 SCS: 111 Diodo de quatro camadas: 111 GTO: 111 Foto-SCR: 111 DIAC: 111 TRIAC: 112 Disparo dos tiristores 112 Funcionamento do UJT 113 3. 23 - Exercícios e Problemas 114

3. 24 - Referências Bibliográficas 115

Capítulo – IV 117 A TEORIA DOS CIRCUITOS ELETRÔNICOS 117 4. 1 – Objetivos do Capítulo 117

4. 2 - Introdução 118

4. 3 – Determinação do ponto de operação de polarização do Transistor 119

4.3.1 - Características do transistor 119 4. 4 – Circuitos Básicos de Polarização do Transistor 122

4.4.1 - Circuitos com Transistor 122 4.4.2 - Polarização Simples – na Montagem Emissor-Comum 122 4.4.3 - Exemplos de Cálculo de Polarização do Transistor 126 4. 5 – Amplificadores Lineares 131

4.5.1 - Definições Fundamentais 131 4.5.2 - Amplificação 132 4.5.3 – Amplificador de Áudio 133 4. 6 – Características dos Amplificadores Lineares 134

4.6.1 - Impedância de Entrada 134 4.6.2 - Sensibilidade 134 4.6.3 - Impedância de Saída 134 4.6.4 - Potência ou amplitude do Sinal 134 4.6.5 - Pré-Amplificadores 135 4.6.6 - Drivers 136

4

4.6.7 - Amplificadores de Potência 137 4. 7 – Circuitos Práticos de Polarização do Transistor na Montagem Emissor-Comum 138

4.7.1- Polarização por corrente de Base constante ( BI cte ou polarização fixa) 138 4.7.2 - Polarização por corrente de Emissor constante EI cte com realimentação paralela 139 4.7.2 - Polarização por corrente de Emissor constante EI cte com realimentação em série 140 4.7.2 - Polarização por corrente de Emissor constante EI cte com realimentação mista 143 4. 8 – Exemplos de Cálculo de Amplificadores Lineares 145

4.8.1- Determinação da reta de carga do transistor da polarização por corrente de Base constante ( BI cte ou polarização fixa) 145 4.8.2 - Determinação da reta de carga do transistor da polarização por corrente de Emissor constante ( EI cte ou realimentação paralela) 155 4.8.3 - Determinação da reta de carga do transistor da polarização por corrente de Emissor constante ( EI cte ou realimentação em série) 158 4. 9 – Amplificadores Lineares – Circuitos Básicos 170

Acoplamento RC 174 Acoplamento por Transformador 175 Acoplamento Direto 175 4. 10 – Classificação dos Amplificadores lineares 176

4.10.1- Amplificador Classe A 176 4.10.2 - Amplificador Classe B 177 4.10.3 - Amplificador Classe AB 177 4.10.4 - Amplificador Classe C 177 4.10.5 - Amplificador Classe D 178 4.10.6 - Amplificador Classe G 178 4. 11 – Amplificadores Operacionais 180

4.11.1 – Amplificador Operacional Ideal 181 4.11.2 - Montagens Básicas 182 4.11.3 - Montagem Inversora 183 4.11.4 - Montagem Não-Inversora 183 4.11.5.- Circuitos com AmpOps 184 4.11.6 - Seguidor de Tensão 184 4.11.7 - Somador Inversor 185 4.11.8 - Amplificador Inversor 185 4.11.9 - Amplificador da Diferença ou Amplificador Deiferencial 186 4.11.10 - Amplificador de Instrumentação 187 4.11.11 - Filtros Ativos 188 4.11.12 - Conversores de Impedâncias e de Tensão-Corrente 189 4. 12 – Osciladores 191

5

4.12.1 - Circuitos Osciladores Eletrônicos 193 4.12.2 - Tipos de Osciladores 195 4. 13 – Inversores 196

4. 14 - Comandos eletrônicos 197

4. 15 – Circuitos Integrados 198

4. 16 - Projetos de Circuitos Eletrônicos 199

4. 17 – Exercícios e Problemas 200

4. 18 – Referências Bibliográficas 201

Capítulo – V 202 TEORIA DAS MEDIDAS ELÉTRICAS E ELETRÔNICAS, RUÍDOS E TRANSDUTORES 202 5. 1 – Objetivos do Capítulo 202

5. 2 – Introdução 203

5. 3 – Ruído- Definição e Medida 204

5. 4 – Análise Espectral 205

5. 5 – Filtros Ativos 206

5. 6 – Amplificadores Lock-in 207

5. 7 – Box-Car 208

5. 8 – Transdutores 209

5. 9.1 – Sensores de Temperatura 209 5. 10.2 – Sensores de Intensidade Luminosa 212 5. 11.3 – Sensores de Tensão Mecânica 212 5. 12.4 – Sensores de Campo Magnético 213 5. 13.5 – Sensores de Vácuo 214 5. 14.6 – Sensores Acústicos de Vibração 214 5. 15.7 – Sensores de Partículas e Radiação atômica 214 5. 16.8 – Sensores de Microondas 215 Microfone 215 Caixa de som 215 Termopar 215 Cristal Piezoelétrico 216 5. 17 – Conversor Analógico-Digital 217

5. 18 – Exercícios e Problemas 218

5. 19 – Referências Bibliográficas 219

6

Capítulo – III

A TEORIA DOS DISPOSITIVOS ELETRÔNICOS

RESUMO

Neste capítulo faremos um estudo da estrutura eletrônica dos átomos em um

sólido e estudaremos a teoria das bandas de energia com a finalidade de explicar as

propriedades eletrônicas dos materiais, em particular entender o funcionamento dos diodos

e dos transistores, dos tiristores, e circuitos integrados.

3. 1 - Introdução

A Mecânica Quântica e a Teoria do Estado Sólido proporcionaram ao homem

as descobertas mais importantes no campo da matéria sólida. A partir do desenvolvimento

dessas duas áreas da ciência foi possível explicar as propriedades de condutividade elétrica

dos materiais, utilizando o modelo de Bandas de Energia. Este modelo permitiu classificar

os materiais existentes na natureza como condutores, semicondutores e isolantes dando

origem ao que chamamos hoje em dia de Eletrônica do Estado Sólido em contraposição a

precedente Eletrônica das Válvulas. A partir daí, os dispositivos eletrônicos passaram a ser

fabricados a partir de elementos de estado sólido. Como conseqüência do desenvolvimento

científico, particularmente, houve a invenção do diodo e dos transistores, atualmente,

fabricados a partir de elementos semicondutores de Silício e Germânio,

7

3. 2 - Princípios da Mecânica Quântica

O desenvolvimento da Mecânica Quântica se deve a diferentes cientistas que

viveram em diferentes épocas entre eles estão o Matemático, Gauss - os Físicos Teórico-

Experimentais, Ernst Rutherford e Albert Einstein - os Físicos Teóricos, Niels Bohr e Paul

M. Dirac - e o Físico Teórico, Erwin Shröedinger. Este último foi o principal responsável

por esta moderna teoria.

A Mecânica Quântica é a área da física que trata das partículas no microcosmo

no interior dos átomos e das moléculas. Ela foi estabelecida a partir de uma série de

postulados e também por meio de uma equação fundamental chamada de Equação de

Schröedinger, a qual será vista rapidamente a seguir. Um dos postulados da Mecânica

Quântica é o chamado princípio da Incerteza de Heisenberg.

3.2.1 - Princípio da Incerteza e a dualidade onda-partícula

Uma das descobertas mais chocantes dentro da Mecânica Quântica foi a do

principio da incerteza de Heisenberg. Este principio pode se ilustrado através de um

experimento de dupla fenda conforme veremos a seguir.

Física Estatística (“Física não determinista”)

Figura - 3. 1. Experiência de difração de elétrons em dupla fenda.

8

Figura - 3. 2. Experiência de difração de elétrons em dupla fenda.

3.2.2 - O modelo atômico dos Níveis de Energia e as transições eletrônicas

De acordo com o modelo de Ruhterford e Bohr os elétrons no interior de um

átomo estão distribuídos órbitas semelhantes as órbitas planetárias do sistema solar.

Portanto os elétrons de uma órbita estão distanciados desigualmente do núcleo. Cada

elétron ocupa seu lugar fixo em sua órbita, ou seja, mantém uma distância fixa do núcleo.

Logo, a trajetória descrita por cada elétron possui seu próprio nível de energia. Desta forma

os átomos em um material possuem níveis de energia na distribuição dos seus elétrons.

Quando um elétron se move de uma órbita mais distante a uma mais próxima do núcleo, ele

libera energia. Para que um elétron possa se mover de uma órbita mais próxima do núcleo a

uma órbita mais distante, ele necessita receber uma determinada quantidade de energia.

Portanto, a energia de ligação dos elétrons é negativa e, se for dada a um elétron uma

energia de igual magnitude mas de sinal contrário, isto é positiva, o átomo libera o elétron

de sua órbita deixando-o livre.

3.2.3 - A regra da quantização de Einstein-Planck

Max Planck descobriu que a energia absorvida ou emitida pelos elétrons na

forma de calor ou luz (fótons) em um átomo acontece somente em quantidades múltiplas de

um valor fundamental, hv, dado por:

9

E = nhv (3. 1)

onde 346,67 10 .h J s e v é a freqüência da radiação emitida ou absorvida pelo átomo.

A unidade usada para medir a quantidade de energia necessária para que um

elétron se mova de um a outro nível de energia, se chama quantum ou fóton. Estes elétrons

podem transitar de um nível para o outro por efeitos de calor ou temperatura e luz e campos

elétricos e magnéticos.

Nós sabemos que, quando uma quantidade de energia na forma de um campo

elétrico, E, é aplicado a um material, este produz o movimento das suas cargas elétricas. A

variação da energia cinética dessas cargas pode ser associada ao trabalho realizado pelo

campo elétrico, isto é, uma quantidade de energia injetada em um sistema produz trabalho,

cuja unidades são:

)()()(

eVvoltelétronergsergs

JJoulesUnidades (3. 2)

Os átomos em um material possuem níveis de energia na distribuição dos seus

elétrons. Estes elétrons podem transitar de um nível para o outro por efeitos de calor ou

temperatura e luz e campos elétricos e magnéticos.

10

3. 3 - Átomo de hidrogênio e a teoria quântica dos níveis de energia

O átomo mais simples que se conhece é o átomo de hidrogênio. Ele foi o

primeiro a ser explicado pela Mecânica Quântica pelo cientista Erwin Schröedinger quando

na ocasião propôs a sua equação fundamental.

A equação de Schröedinger é dada por:

)()()(2

22

rErrVm nnn

(3. 3)

De acordo com a Mecânica Quântica a energia do átomo de hidrogênio é dada

por:

22

4

2 nmeEn

(3. 4)

A energia necessária para se ionizar o átomo de hidrogênio que contém apenas

um único elétron, desde sua posição orbital até o infinito é dado pela expressão (3. 4) acima

e vale

eVEn 6,13 (3. 5)

3.3.1 - Níveis de Energia

Um diagrama esquemático dos níveis de enrgia do átomo de hidrogênio de

acordo com a expressão (3. 4) é mostrado na Figura - 3. 3.

11

Figura - 3. 3. Níveis de energia do átomo de hidrogênio de acordo com a Mecânica Quântica

3.3.2 - Números quânticos

Ao se distribuir os elétrons no átomos de acordo com os princípios da MQ estes

elétrons passam a ocupar níveis de energia bem definidos por meio dos números quânticos

fornecidos pela solução da equação de Schröedinger para aquele átomo em particular.

Os diferentes números quânticos existentes os quais são chamados de: n –

Principal; l – Azimutal; ml - Magnético; ms – Spin, determinam o estado energético de uma

partícula em um átomo. Seus intervalos de variação são dados por:

n = 1,2,3, ... (3. 6)

para o número quântico principal

l = 0, 1, ..., n-1 (3. 7)

para o número quântico azimutal

ml = -l, ..., +l (3. 8)

para o número quântico magnético, e

ms = - ½ ; + ½ (3. 9)

para o número quântico spin.

12

3. 4 - Átomos maiores- níveis de energia mais complexos

O nivel de energia dos elétrons no interior dos átomos em um material definem

além das propriedades elétricas as propriedades óticas desse material. Conforme for a

radiação eletromagnética incidente sobre o átomo do material será a sua transição desde um

nível mais baixo de energia para um nível mais alto de energia. Se a radiação incidente

possui uma valor de energia diferente daquele do intervalo determinado pelos níveis de

energia do átomo, este pode não perceber esta radiação sendo totalmente transparente a ela,

caso contrário, isto é quando a radiação incidente é igual a algum intervalo dos níveis de

energia do átomo, a energia incidente é totalmente absorvida. Por exemplo, o vidro

bloqueia a radiação ultravioleta mas deixa passar a radiação infravermelha.

Aos níveis de energia estão também associados ao tamanho dos átomos, isto é,

átomos maiores apresentam níveis de energia mais complexos. Contudo, os átomos na

natureza não aparecem isoladamente, eles estão presentes em um material sólido na forma

de um cristal.

3. 5 - O cristal

O cristal na verdade é um arranjo ordenado de átomos (sólido) de maneira

periódica, os quais podem apresentar diferentes geometrias classificadas pelas 14 redes de

Bravais.

3.5.1 - Rede de Bravais.

Na natureza existem 14 diferentes tipos de redes cristalinas nas quais os

átomos ou as moléculas das substâncias podem se ordenar para formar uma estrutura

periódica.

Exemplos: 3 tipos de geometria que são comuns nos sólidos. Esta geometria,

dependente das ligações que por sua vez dependem dos elétrons de valência.

a) cúbicas simples (CS)

13

b) cúbico de corpo centrado (CCC) c) cúbico de Face centrada (CFC) O monocristal – é quando a organização é perfeita por todo o cristal e o

policristal – consiste de grande número de pequenos cristais orientados aleatoriamente. O

arranjo geométrico é chamada de rede cristalina.

A estrutura cristalina do silício e do germânio, que são os materiais mais

comumente utilizados na fabricação de dispositivos eletrônicos é a cúbica de face centrada

com dois átomos por sítio da rede formando uma estrutura semelhante a do diamante.

fcc diamante (3. 10)

3.5.2 - Níveis de energia muito próximos em uma rede e Bandas de Energia

Ao se reunir um número enorme de átomos numa rede cristalina os níveis de

energia de átomos vizinhos se sobrepõem uns aos outros formando uma faixa quase

contínua, a qual é denominada de Bandas de Energia, ou seja, essas bandas são formadas de

níveis de energia muito próximos.

Há basicamente dois tipos de bandas de energia. Uma formada pela

aproximação dos níveis de energia de valência do material da qual faz parte a ligação

química que mantém os átomos unidos formando a rede cristalina, chamada de banda de

valência e outra formada pelos níveis de energia disponíveis para a condução de elétrons ao

redor da rede cristalina, chamada de banda de condução.

14

Figura - 3. 4. Bandas de energia presente em uma estrutura cristalina qualquer.

A largura do Gap de energia do Silício é de 1,09eV e do Germânio é de 0,72eV.

ligações (sigma) – banda de valência. (3. 11)

ligações (pi) – banda de condução. (3. 12)

Figura - 3. 5. Fusão de orbitais atômicos na formação das ligações químicas dos sólidos.

3.5.3 - Princípio da Exclusão de Pauli

O princípio da exclusão de Pauli permite distinguir as partículas que seguem a

estatística de Fermi-Dirac daquelas que seguem a estatística de Bose-Einstein. Ele

estabelece que uma partícula, no caso um elétron, não pode possuir o mesmo estado

quântico determinado pelos número quânticos: n, l, ml, ms, ou seja,

15

“Um ou mais elétrons não podem ter o mesmo conjunto de n.º quânticos”

Uma conclusão importante que pode ser tirada desse fato é que uma banda de

energia completa não conduz.

Por outro lado, a ativação térmica dos elétrons nos materiais também produz

um movimento destes, da banda de valência para a banda de condução. Conforme é

ativação térmica ou a radiação fornecida ao átomo é também a transição dos seus elétrons.

Uma forma de se medir este grau de agitação dos átomos e da transição dos seus elétrons

devido a temperatura é por meio da unidade de energia fornecida pelo teorema da

eqüipartição térmica de Boltzmann, ou seja, este teorema diz que para cada grau de

liberdade de uma partícula esta recebe uma quantidade de energia dada por ½KT de

energia, conforme o exemplo abaixo:

eV; 0,025 401

KT (3. 13)

onde K = 1,38 10-23 Joules/Kelvin é a constante de Boltzmann e T é a temperatura

ambiente em Kelvin (300oK)

3. 6 - Estatística Fermi - Dirac

É importante saber quantos elétrons estão na banda de condução. Devemos

calcular a probabilidade de um nível de energia. “E” está realmente ocupado e será

chamado F(E).

Seja agora N(E)dE o número de elétrons por unidade de volume entre E e E +

dE, então N(E)dE pode ser escrito como o produto de (E)dE, ou seja, dos estados de

energia permitidas por unidade de volume (densidade de estados) vezes a probabilidade que

o nível esteja preenchido, ou seja F(E).

dEvagas

nEFcm

vagasEdEcm

onENo

)(

3)( 3 (3. 14)

16

3

21

23

27

2h

EmE (3. 15)

Para as bandas de valência e de condução , onde m massa do elétron; h constante de

Planck. Quanto a F(E), chega-se a:

1

1

kt

EfE

eEf (3. 16)

onde Ef é uma constante chamada energia de Fermi e corresponde a metade da energia do

gap.

Figura - 3. 6. Nível de energia de Fermi par um material sólido.

A medida que se aumenta a temperatura os elétrons vão ganhando energia e vão

passando para um nível de energia maior que a “Energia de Fermi”.

17

Figura - 3. 7. Distribuição de spins eletrônicos nos níveis de energia atômico conforme a estatística de Fermi-Dirac para 0T K .

Figura - 3. 8. Distribuição de spins eletrônicos nos níveis de energia atômico conforme a estatística de Fermi-Dirac para 0T K

Um rigoroso tratamento matemático leva a um resultado entre a Energia de

Fermi, Ef, e a Energia do Gap, Eg, dado por:

Ef = ½ Eg (3. 17)

onde Eg é a energia do gap.

18

Figura - 3. 9. Esquema da banda de valência e da banda de condução em um semicondutor.

3. 7 - Física dos Semicondutores

Vamos a partir de agora aplicar os conhecimentos da MQ, da Mecânica

estatística e da Física do Estado Sólido para explicar o comportamento dos eletros no

interior dos semicondutores.

3.7.1 - Densidade de Portadores

Supondo a energia na Banda igual ao potencial elétrico, E = na camada

superior de valência teremos que a densidade de portadores, (E), é dado por:

3

21

23

27

2h

EgEmE

(3. 18)

O número de elétrons será entre (E, E + dE)

N(E)dE = (E) F(E)dE (3. 19)

19

Figura - 3. 10. Gráfico da energia, E, em função da função, F(E), e da densidade de energia, (E).

Figura - 3. 11. Gráfico do número de portadores, N(E), na banda de condução em função da energia, E, desses portadores.

20

dEe

hEEm

dEEN

EF

KTEE

E

g

f

)()(

3

21

23

27

1

1.)(2

)(

(3. 20)

dE

e

EECdEENKT

EEgf

1

1.)()( 21

(3. 21)

dEeEECdEEN KTEE

g

f

.)()( 21

(3. 22)

Sendo Ef = Eg/2

Eg

ktEg

eh

KTmdEENN 23

23

25

)(2)( (3. 23)

KTEg

eATN 22/3 . (3. 24)

onde

3

2/32/5 )(2h

KmA

(3. 25)

ou

2/33

15 )(10.6,4 Kcm

eletronsA o (3. 26)

logo

KTEg

eATN 22/3 (3. 27)

Na temperatura ambiente o número de portadores, N, na Banda de Condução

para o Silício é:

21

Ns = 1010 elétrons/cm3 (3. 28)

E para o Germânio é:

Ng = 1013 elétrons/cm3 (3. 29)

3. 8 – Condução em Semicondutores

De acordo com a condutividade elétrica dos materiais estes podem ser

classificados em:

Condutor (Metal) - é aquele que oferece maior facilidade a passagem de corrente elétrica

Semicondutores - é um material que apresenta uma condutividade entre a alta

condutividade dos condutores e a baixa condutividade dos isolantes.

Isolante - é aquele que oferece maior dificuldade a passagem de corrente elétrica. Contudo,

o isolante sob certas condições específicas pode se tornar um condutor. Ex. vidro quente.

Isto pode ser explicado por meio do Modelo das Faixas de Energia ou Teoria da Bandas.

Condutores, Semicondutores e Isolantes

Os materiais encontrados na natureza podem ser classificados, segundo o

comportamento elétrico, em: isolantes, condutores e semicondutores.

Os condutores são materiais que apresentam grande número de elétrons livres,

por exemplo: cobre, alumínio, ouro, etc. Os isolantes são materiais que não apresentam

elétrons livres, por exemplo: mica, papel, plástico, etc. Os semicondutores são materiais

que não apresentam comportamento de isolante nem de condutores, isto é, não são nem

bons isolantes nem bons condutores.

A resistividade de um condutor, à temperatura ambiente, é da ordem de 10-5

cm e de um isolante é aproximadamente 107 cm. Nos semicondutores a resistividade

varia de 10-3 cm a 105 cm. O fator que influencia muito a estrutura dos

semicondutores é a temperatura. Ao contrário do que se observa nos condutores, a

resistividade de um semicondutor diminui com o aumento da temperatura pois com o

acréscimo da energia térmica mais elétrons livres são obtidos.

22

Outra propriedade interessante que os semicondutores apresentam é a

fotocondutividade, que é a propriedade que um material possui de produzir maior ou menor

quantidade de elétrons livres, e, portanto maior ou menor resistência à corrente elétrica, em

função da intensidade luminosa incidente.

Nos semicondutores a fotocondutividade aumenta com o aumento da intensidade da

iluminação incidente, pois elétrons são liberados pelas interações fotoelétricas com os

átomos da rede cristalina.

3.8.1 - Faixas ou Bandas de Energia

Geralmente em um sólido observa-se 3 faixas de energia principais. No

primeiro gráfico apresenta-se um semicondutor onde a Energia do Gap (Banda Proibida)

está entre as energias do condutor e do isolante. No segundo gráfico apresenta-se um metal

ou condutor onde a Energia do Gap (Banda Proibida) é muito estreita. No terceiro gráfico

apresenta-se um isolante onde a Energia do Gap (Banda Proibida) é muito grande quando

comparada com a dos outros materiais nesta classificação.

De acordo com o Modelo de Bandas um material pode ser classificado em

condutor, semicondutor, e isolante conforme é a largura do seu Gap de energia em relação

a escala de temperatura, KT. A Figura - 3. 12.

Figura - 3. 12. Classificação dos materiais quanto a sua característica elétrica intrínseca.

De acordo com a Figura - 3. 12 temos que:

A energia luminosa ou térmica gera um número igual de elétrons e lacunas na

estrutura atômica de uma substância semicondutora. O número de elétrons e lacunas

23

presentes em uma substância, em qualquer momento, é diretamente proporcional à

quantidade de energia luminosa ou térmica presente.

O número de elétrons na banda de condução para o Germânio é da ordem de

NCB = 1,5 1013 elétrons/cm3 (Ge) (3. 30)

e para o Silício

NCB = 8,6 109 elétrons/cm3 (Si) (3. 31)

Figura - 3. 13. Estrutura atômica do cristal semicondutor intrínseco de Silício puro.

Estrutura de um Semicondutor

Um átomo se compõe de um núcleo e de uma eletrosfera. Cada elétron possui

carga negativa e se move, dentro da eletrosfera, em trajetórias médias denominadas órbitas

eletrônicas. Os elétrons da camada externa são os responsáveis pelas ligações entre os

átomos do material.

O átomo de silício possui três camadas nas quais 14 elétrons estão distribuídos

da seguinte forma:

2 elétrons na primeira camada,

8 elétrons na segunda camada e

24

4 elétrons na terceira camada.

O átomo assim constituído se apresenta neutro e, para simplificarmos a sua

representação, utilizaremos o esquema apresentado pela figura 1 que evidencia os quatro

elétrons de valência. Essa representação pode ser utilizada também para o átomo de

germânio pois apresenta a seguinte distribuição eletrônica: 2, 8, 18, 4.

Figura - 3. 14. Elétrons e estados de valência de um átomo de Silício.

Os elétrons de valência podem ser afastados do átomo através de acréscimos de

energia, por exemplo, térmica, luminosa, elétrica, aumentando o número de elétrons livres e

variando a condutividade do cristal.

O silício cristaliza-se no sistema cúbico e apresenta quatro elétrons na última

camada, cada um dos quais, combinando com um elétron de quatro átomos adjacentes,

constitui por sua vez elétrons de configuração energética muito estável que recebem o

nome de ligação covalente, conforme mostra a figura 2.

Figura - 3. 15. Compartilhamento dos elétrons de valência entre as ligações covalente de átomos de Silício.

25

Dessa forma, cada átomo é associado àquele que o circunda. O cristal é um isolante

perfeito à temperatura de zero absoluto, 00k = -2730c, não apresentando nenhum elétron

livre, entretanto tal fato não é verificado à temperatura ambiente.

Por elevação da temperatura ou por incidência de radiação luminosa aparecem

vibrações entre os átomos que podem causar rupturas das ligações covalentes.

Esta ruptura provoca a liberação de um elétron assim como deixa uma falha

com o surgimento de uma ligação incompleta. O elétron se transforma em elétron livre e a

falha pode simbolizar uma carga positiva (ausência de carga negativa) que é denominada

lacuna.

3.8.2 - Cálculo da Corrente Máxima para o Germânio

O movimento irregular dos elétrons e das lacunas em uma substância

semicondutora, como resultado da excitação luminosa ou térmica, se chama “corrente

intrínseca”. A corrente intrínseca contribui para o fluxo da corrente eletrônica quando se

aplica uma diferença de potencial elétrico à substância semicondutora.

Supondo-se, para o Germânio, uma velocidade de aproximadamente, V 4 104

cm/s e um campo elétrico, E = 10 V/cm, em uma área = 1 mm1 mm = 1 mm2 temos uma

corrente, I, de aproximadamente

mAI 96,0 (3. 32)

Ao se considerar a condutividade elétrica dos materiais semicondutores é

preciso imaginar soluções para aumentar os portadores de carga na banda de condução com

a finalidade de aumentar a corrente e dar ao material as aplicações necessárias. As possíveis

soluções para isso são:

1) Aumentar a temperatura – não é uma solução viável visto que não é permanente, pois

depende das condições externas.

2) Excitação com ondas eletromagnéticas, E = hv, (radiação, luz, etc). Esta solução só é

utilizada em casos especiais

3) Dopagem com elementos de valência. Esta é a solução adotada na construção de

dispositivos eletrônicos.

26

Condutibilidade Intrínseca

Quando uma diferença de potencial é aplicada em um semicondutor, as lacunas

se movem em direção oposta à dos elétrons livres e com a mesma velocidade praticamente.

Esse deslocamento é na realidade o deslocamento de elétrons livres no sentido da tensão

aplicada; aparentemente as lacunas se deslocam em sentido contrário à da tensão aplicada,

conforme mostre a figura 3.

Figura - 3. 16. Percurso de um elétron entre os potenciais de polarização de um semicondutor

À temperatura ambiente existe um determinado número de elétrons livres e de

lacunas móveis. A velocidade de produção de elétrons livres e de lacunas móveis depende

da temperatura e a condutividade do cristal depende do número de elétrons e de lacunas.

A condutividade de um cristal de silício à temperatura ambiente é pequena

poisa aparição de um elétron livre implica imediatamente uma lacuna e a taxa de

recombinação é extremamente grande.

Com a adição controlada de determinadas impurezas, a condutividade do cristal

de silício ou de germânio pode ser bem controlada.

Figura - 3. 17. Denomina-se dopagem o processo de adição controlada de impurezas específicas ao cristal puro do semicondutor.

27

As dopagens podem ser do tipo N ou do tipo P.

No cristal do tipo N foram injetadas impurezas que favoreceram o aparecimento

de elétrons livres e no cristal de tipo P foram colocadas impurezas que favoreceram o

surgimento de lacunas.

As impurezas que produzem o cristal de tipo N são impurezas pentavalentes,

por exemplo: arsênico, antimônio ou fósforo.

Para a produção do cristal do tipo P são utilizadas as impurezas trivalentes, por

exemplo: boro, alumínio ou índio. Nos cristais do tipo N a condução é feita,

essencialmente, por elétrons livres e nos cristais de tipo P a condução é feita por lacunas

móveis.

3.8.3 - Semicondutor (Silício) Intrínseco e Extrínseco

Os cristais de germãnio ou silício quando encontrados em seu estado natural,

recebe a denominação de intrínseco. Após passarem pelo processo de dopagem, a fim de se

obter os cristais tipo-N e tipo-P, passam a ser denominados de extrínsecos.

Os átomos que perdem elétrons passam a ser denominados íons positivos

(cátions) e os átomos que recebem elétrons se tornam íons negativos (anions). São os

átomos das impurezas ou dopantes que fornecerão os íons para a estrutura do material.

As lacunas são portadores majoritários no cristal tipo-P e portadores

minoritários no cristal tipo-N e vice-versa.

Os elétrons são portadores majoritários no cristal tipo-N e portadores

minoritários no cristal tipo-P e vice-versa.

3.8.3 - Fabricação do Semicondutor (Silício) Tipo - N

O material semicondutor tipo-N é obtido introduzindo-se impurezas

pentavalentes na estrutura cristalina do silício ou do germânio. Impurezas pentavalentes são

aqueles elementos químicos adicionados a estrutura cristalina do semicondutor (natural ou

intrínseco), que apresentam 5 elétrons na sua última camada de valência. O material tipo -

N (germânio ou silício) ou doador é aquele que apresenta um excesso de elétrons em sua

estrutura cristalina. Os elementos químicos ou impurezas pentavalentes comumente usados

como doadores são: O Antimônio (Sb), Boro (B), o Arsênio (As) e o Fósforo (P).

28

Figura - 3. 18. Estrutura atômica do cristal semicondutor extrínseco tipo-N. Silício dopado com Arsênio.

Obs.: O “gap” do Germânio é menor do que o do Silício. A 70ºC o Germânio

tem uma corrente reversa da ordem de 100 mA.

Figura - 3. 19. Níveis de energia dos cristais de Silício puro e do Silício dopado com Arsênio.

29

Figura - 3. 20. Níveis de energia do cristal semicondutor extrínseco tipo-N. Silício dopado com Arsênio.

Como os portadores da maioria das cargas em um semicondutor tipo-N são os

eletrons, quando se aplica uma diferença de potencial ao mesmo, falamos do fluxo da

corrente como sendo o movimento dos elétrons entre os pólos negativo e positivo da fonte

de potencial.

O Cristal N

Considerando um cristal de germânio puro e injetemos átomos de arsênio nesse

cristal. Sendo o arsênico um elemento pentavalente, ao se fixar na estrutura do cristal, por

meio de quatro ligações covalente, aparecerá um quinto elétron fracamente ligado ao seu

núcleo, conforme mostra a figura 4.

Figura - 3. 21. Compartilhamento de elétrons entre os átomos de Germânio dopado com Arsênio.

30

O arsênico recebe a denominação de doador. Uma vez fixo as estrutura, o

quinto elétron fracamente ligado será deslocado e a região ficará ionizada positivamente.

Assim o cristal N apresentará regiões positivas fixas e elétrons livres. Em um

típico cristal semicondutor de tipo N, os portadores majoritários são elétrons livres.

Condução em um Cristal N

Consideremos o cristal de germânio de tipo N nas condições da Figura - 3. 22.

Figura - 3. 22. Polarização de um cristal semicondutor tipo-N.

Ao ligarmos o interruptor, verificaremos a passagem de uma corrente de

elétrons livres em direção ao pólo positivo da bateria, não importando se houve ou não

inversão de polaridade.

Não ocorre nenhum fenômeno de retificação em cristal de germânio de tipo N.

3.8.4 - Fabricação do Semicondutor (Silício) Tipo – P.

O material semicondutor tipo-P é obtido introduzindo-se impurezas trivalentes

na estrutura cristalina do silício ou do germânio. Impurezas trivalentes são aqueles

elementos químicos adicionados a estrutura cristalina do semicondutor (natural ou

intrínseco), que apresentam 3 elétrons na sua última camada de valência. O material tipo - P

(germânio ou silício) ou aceitador é aquele que apresenta uma falta ou uma deficiência de

elétrons em sua estrutura cristalina. Os elementos químicos ou impurezas trivalentes

comumente usados como aceitadores são: O Alumínio (Al), o Gálio (Ga), e o Índio (In).

31

Figura - 3. 23. Estrutura atômica do cristal semicondutor extrínseco tipo-P. Silício dopado com Boro.

GaAs : (Arseneto de Gálio) tem resposta melhor que o Silício em altas freqüências (muito usado em microondas).

Figura - 3. 24. Níveis de energia dos cristais de Silício puro e do Silício dopado com Boro

32

Figura - 3. 25. Níveis de energia do cristal semicondutor extrínseco tipo-P. Silício dopado com Boro.

Como os portadores da maioria das cargas em um semicondutor tipo-P são as

lacunas, quando se aplica uma diferença de potencial ao mesmo, falamos do fluxo da

corrente como sendo o movimento das lacunas entre os pólos positivo e negativo da fonte

de potencial.

Na prática imagina-se a corrente no germânio tipo-N como sendo um fluxo de

elétrons, e a corrente no germânio tipo-P como sendo um fluxo de lacunas. Contudo, tanto a

substância tipo-P quanto a tipo-N são eletricamente neutras.

O Cristal P

Consideremos um cristal de germânio puro e injetemos átomos de índio nesse

cristal. Sendo um elemento trivalente, o índio só poderá oferecer três elétrons para as

ligações covalentes da estrutura, originando portanto uma lacuna. O índio recebe o nome de

aceitador. A temperatura ambiente são produzidos elétrons intrínsecos e estes são presos

nas lacunas produzidas pelas impurezas, fechando a última camada em oito elétrons e

fazendo com que a região fique ionizada negativamente, conforme Figura - 3. 26.

33

Figura - 3. 26. Movimentação de elétrons e lacunas em um cristal de Germânio dopado com Índio.

As lacunas aparecem na captura do elétron intrínseco, pois este ao ser liberado

produz uma lacuna. Em um típico cristal P, cujos portadores majoritários são lacunas

móveis e apresenta regiões negativas fixas na estrutura.

Condução em um Cristal P

Consideremos a situação apresentada pela Figura - 3. 27.

Figura - 3. 27. . Polarização de um cristal semicondutor tipo-P.

34

Ao ligarmos o interruptor S, verificaremos a passagem de uma corrente de

lacunas móveis em direção ao pólo negativo da bateria, não levando em conta se houve ou

não inversão da polaridade da bateria.

Não ocorre nenhum fenômeno de retificação em um cristal de germânio de tipo

P.

3.8.5 - Emissão por Semicondução

Os metais possuem uma condutividade elétrica muito elevada, isto, é

conseqüência do acentuado grau de liberdade de seus átomos periféricos e também, função

da concentração de elétrons livres. Para os condutores esta concentração é muito elevada,

sendo da ordem de 1022 elétrons/cm3. Para os isolantes ou não condutores, a concentração

de elétrons é da ordem de 1012 elétrons/cm3.

Figura - 3. 28. Emissão por semicondução com eletros e buracos em sentidos opostos.

35

O elétron que abandona um determinado átomo desloca-se deixando uma

lacuna conforme mostra a Figura - 3. 28. Este mesmo elétron vai ocupar mais adiante outra

lacuna, surgida com o deslocamento de outro elétron de covalência de outro átomo e assim

por diante. Desta forma, enquanto os elétrons (carga negativa) vão se deslocando para um

lado, para a direita por exemplo, as lacunas ou buracos (cargas positivas) deslocam-se em

sentido contrário, para a esquerda.

Em um semicondutor puro, ou intrínseco o número de lacunas é igual ao

número de elétrons livres. Os elétrons são os portadores de cargas negativas e as lacunas

são portadoras de cargas positivas. Tomando-se por base o germânio ou silício e

empregando-se uma técnica altamente especializada, consegui-se elaborar dois tipos de

cristais, um deles rico de elétrons altamente livres denominado cristal tipo-N e o outro rico

em lacunas denominado cristal tipo-P.

Cristal tipo-N: elétrons portadores majoritários e buracos ou lacunas

portadores minoritários.

Cristal tipo-P: elétrons portadores minoritários e buracos ou lacunas

portadores majoritários.

3.8.6 - Correntes nos Semicondutores

O processo de condução de corrente elétrica envolve o movimento de cargas

elétricas sob a ação de algum tipo de força. É necessário que; para que um material possa

conduzir corrente elétrica ele deve conter cargas elétricas livres, isto é, cargas que tenham

mobilidade.

A corrente será tanto maior quanto maior for a quantidade de cargas livres em

movimento e quanto maior for a sua velocidade.

][; AtqI

(3. 33)

Ou seja, q, é o numero de cargas que atravessam um volume no intervalo de tempo, t,

que é o tempo que a carga leva para atravessar este volume dado por uma determinada

secção transversal de área A.

36

3.8.7 - Correntes Deriva em uma Junção

Se a força aplicada ao material for devida a um campo elétrico fornecido por

uma fonte de alimentação, dizemos que a corrente é da deriva (ou condução).

3.8.8 - Correntes de Difusão em uma Junção

Existem outras possibilidades de manter as cargas em movimento. Como por

exemplo, quando elas se espalham procurando uniformizar a densidade numa determinada

região.

Figura - 3. 29. Processo de difusão, em um material homogêneo, ativada por uma diferença de temperatura, T, entre os ponto A e B do material esquematizado acima.

Figura - 3. 30. Processo de difusão, em um material homogêneo, ativada por uma diferença de temperatura, T, entre os ponto A e B do material esquematizado acima.

37

Considere os lados opostos A e B de um material. Se temos muitas cargas no

lado A e poucas no lado B, então teremos movimento de cargas de A para B, tendendo a

uniformizar as concentrações, logo essa corrente é chamada de corrente de difusão.

3.8.9 - Geração e combinação

Fornecendo-se energia (luz, calor, campo elétrico, etc) ao semicondutor, alguns

elétrons soltam-se dos seus átomos e formam os chamados elétrons livres, que passam da

banda de valência para a banda de condução. Certas ligações são desfeitas e a falta de

elétrons de uma ligação é chamada lacuna ou buraco. Quanto mais energia é fornecida,

maior é o número de ligações desfeitas. Esse processo chama-se geração (aparecimento de

elétrons e lacunas correspondentes). Ao fazermos cessar a energia do material os elétrons

voltam para a ligação e desaparecem tanto os elétrons como as lacunas. Esse processo

chama-se recombinação.

Junção PN

Junção PN é uma região muito fina de um monocristal na qual a condutividade

passa da condutibilidade de tipo P à condutibilidade de tipo N.

Consideremos um monocristal de germânio que contenha as dopagens de tipo P

e tipo N, como mostra a Figura - 3. 31.

Figura 8

Figura - 3. 31. Polarização de uma junção P-N de um cristal semicondutor.

38

Ao serem colocados em contato os cristais P e N, ocorrerá uma difusão de

lacunas móveis e de elétrons livres.

Os elétrons livres da região N, ao se encontrarem com as lacunas móveis da

região P, farão a recombinação dos pares elétron-lacuna e farão também com que surja uma

região essencialmente positiva fixa no cristal n e uma região essencialmente negativa fixa

no cristal P. A tensão existente entre essas duas regiões recebe o nome de barreira de

potencial.

Efeito de uma Tensão sobre a Junção

- Sentido de Condução:

Ao ser estabelecido um circuito onde a região N é submetida a um potencial

positivo de uma bateria e a região P ao negativo, observa-se que a tensão externa e se opõe

à barreira de potencial da junção PN. Esta oposição enfraquece a barreira e faz com que

elétrons passem da região N à região P, estabelecendo-se uma corrente no circuito.

Podemos, portanto concluir que, quando a região P estiver em potencial mais alto do que a

região N, a junção é dita polarizada diretamente e o cristal permite a passagem da corrente,

isto é, ele conduz.

- Sentido de Bloqueio:

Se as regiões N e P forem ligadas a uma bateria com a polaridade inversa ao

descrito acima, a tensão externa estará reforçando a barreia de potencial.

Desse modo os elétrons não atingirão a região P se esta estiver em potencial mais baixo que

a região N. A junção estará polarizada inversamente e o cristal não conduzirá.

Na prática, porém, aparece uma corrente muito pequena proveniente de lacunas

e elétrons livres produzidos por agitação térmica próximos da junção PN. Essa corrente é

da ordem de 10µA no silício, porém será tanto maior quanto maior for a temperatura. Essa

corrente recebe o nome de corrente de saturação inversa ou corrente de fuga.

3. 9 - Dispositivos eletrônicos

Vamos agora estudar os diferentes dispositivos eletrônicos construídos de

material sólido semicondutor

39

O embasamento teórico feito até agora nos permitirá a partir de agora entender

o funcionamento eletrônico dos dispositivos semicondutores. Portanto, vamos estudar os

diferentes dispositivos eletrônicos construídos de material sólido semicondutor.

Os diodos e transistores são feitos de material semicondutor tais como o silício

e o germânio.

3. 10 – Diodos semicondutores

A palavra diodo significa di = dois e odos = pólos ou eletrodos este nome

provém da válvula eletrônica que consistia em uma ampola de gás utilizada com a mesma

finalidade que o diodo semicondutor de estado sólido inventado anos mais tarde.

Figura - 3. 32. Equivalência entre o diodo de ampola de gás (válvula eletrônica) e o diodo semicondutor.

3.10.1 – Diodo semicondutor de junção - PN

Devemos lembrar que, quando os átomos da impureza substituem os átomos de

germânio ou silício, apenas os elétrons praticamente livres fornecidos pelas impurezas

pentavalentes e os buracos fornecidos pelas impurezas trivalentes podem se deslocar sob o

efeito de um campo elétrico.

40

Figura - 3. 33. Estrutura atômica da junção

No cristal-N existem muito mais elétrons que no tipo-P, assim como no cristal-

P existem mais buracos ou lacunas que no lado N. Consequentemente, terá início um

processo de difusão dos elétrons do cristal-N para o cristal-P, e de lacunas do cristal-P para

o cristal-N.

Figura - 3. 34. Junção PN e a formação da barreira de potencial

Os elétrons e os buracos que se recombinam deixaram próximos a junção, íons

positivos e íons negativos resultantes do arrancamento dos elétrons e dos buracos,

respectivamente. Estes íons são chamados de cargas descobertas e a região em torno da

junção onde se formarem estas cargas descobertas é denominada de região de transição ou

região de barreira de potencial.

3.10.2 – Características da junção - PN

Logo que é formada a junção-PN, tem-se início o processo de difusão das

cargas elétricas. À medida que os elétrons e buracos vão se recombinando na junção, vão

surgindo as cargas descobertas que tendem a impedir a passagem de novos portadores e

este processo continuará até que haja um equilíbrio termoquímico entre os cristais.

Lembrando-se que tanto na região-P como na região-N pares de elétrons-

buracos estão sempre sendo gerados por quebra de ligações covalentes, e sempre se

41

recombinado, completando as ligações covalentes descobertas. As cargas descobertas dão

origem a uma d.d.p. de valor Vo. Esta d.d.p. pode ser esquematicamente representada por

uma bateria.

A medida que as cargas descobertas vão se formando e aglomerando-se em

torno da junção, elas começam a repelir a injeção de novos portadores. Esta é a causa,

porque o processo de difusão não prossegue indefinidamente.

Os átomos das impurezas do lado-P tornam-se não neutro, tendo em excesso

uma carga negativa para cada átomo, logo ele passa a ser um íon negativo. Quando os

elétrons do lado-N vão para o lado-P, eles deixam as impurezas com um elétron a menos e

daí o átomo deixa de ser neutro, passando a ter mais carga positiva, então ele se torna um

íon positivo. Essas cargas elétricas criam um campo elétrico e esse campo elétrico tem um

sentido dirigido das cargas positivas para as negativas. Esse campo elétrico irá empurrar os

elétrons de P para N e lacunas de N para P criando uma corrente de deriva. Aparece então

uma situação de equilíbrio dinâmico, em que cada vez que passar um eletron a mais para o

lado P ele irá aumentar a carga fixa e isto aumentará o campo que irá dificultar a passagem

de elétrons de N para P. Conclusão sem fornecer energia externa a corrente resultante neste

caso é zero. Conclusão, sem fornecer energia externa (bateria) a corrente resultante é nula

(zero).

Figura - 3. 35. Camada de depleção formada em uma junção semicondutora.

Ed d = V (3. 34)

42

Ge 0,2 V (3. 35)

Si 0,6 V (3. 36)

Concentrações iguais:

dP = dN (3. 37)

Em geral:

][][

pn

dd

N

P

(3. 38)

Onde [n] é a concentração de portadores N e [p] é a concentração de portadores P.

Figura - 3. 36. Efeito da polarização reversa e direta sobre a camada de depleção em uma junção P-N.

3.10.3 - Polarização Direta

Com recursos externos, pode-se neutralizar facilmente a ação da barreira de

potencial na junção-PN. Para isso, basta aplicar uma fonte, isto é, uma bateria com seus

terminais ligados às extremidades da junção. Na polarização direta liga-se o pólo negativo

43

da bateria no cristal-N e o pólo positivo no cristal-P. Ao se ligar a fonte, os portadores

começarão a se deslocar na junção da seguinte maneira. Os elétrons livres do cristal-N são

repelidos pelo pólo negativo da bateria e se deslocam para a junção, enquanto que as

lacunas do cristal-P são repelidos pela ação do pólo positivo da bateria, e se deslocam em

sentido contrário aos elétrons em direção à junção.

Para que haja injeção dos portadores é necessário que o potencial da bateria

seja maior que o efeito produzido pela barreira de potencial. Uma vez que os elétrons do

lado-N serão repelidos pelo terminal negativo da bateria e os buracos do lado-P serão

repelidos pelo terminal positivo da bateria em direção à junção, isto fará com que o efeito

de barreira de potencial seja diminuído consideravelmente. Diminuído o efeito da barreira,

a corrente aumentará bastante.

O número de portadores que na maioria tenderão a atravessar a junção para este

tipo de ligação (polarização direta) nos fornecerá uma corrente de valor alto a qual

denominamos de corrente direta.

3.10.4 - Polarização Inversa

Na Figura - 3. 36 vemos que:

E d = VT = 0,6 V + 10 V (3. 39)

Corrente reversa na temperatura ambiente

IR = 10-6 A - Ge (3. 40)

IR = 10-8 A - Si (3. 41)

70°C 100 A p/ o Ge (3. 42)

e

70°C 1A p/ o Si (3. 43)

44

A corrente intrínseca cria na junção-PN uma região de “esvaziamento” ou “

depressão”, a qual esta constituida de portadores da maioria das cargas.

Na junção-PN do germânio, a região de depressão resulta do movimento de

elétrons e lacunas através da junção.

O campo elétrico que se estabelece na região de depressão impede o movimento

de elétrons e lacunas através da junção.

Quando se aplica uma diferença de potencial á junção-PN dizemos que a

mesma está polarizada.

Quando se liga o terminal positivo da bateria no semicondutor tipo-N e o

terminal negativo no semicondutor tipo-P da junção-PN dizemos que a mesma está

polarizada inversamente e o contrário dizemos que a junção-PN está polarizada

diretamente.

Curva característica do Diodo

Figura - 3. 37. Curva característica do diodo semicondutor.

A corrente elétrica em um material é dada pela lei de ohm, na seguinte versão:

45

EJ

(3. 44)

onde J é o fluxo de corrente elétrica, , é a condutividade elétrica e E é o campo elétrico

aplicado.

Considerando que o fluxo é também dado por:

vneJ (3. 45)

onde n é a densidade volumétrica de portadores de cargas e v é a velocidade destes

portadores, igualando-se (3. 44) com (3. 45) temos que a condutividade elétrica pode ser

expressa como:

Evne

(3. 46)

Definindo-se a grandeza:

Ev

(3. 47)

Como sendo a mobilidade dos portadores, tem-se que:

ne (3. 48)

Considerando que um cristal semicondutor tipo-P (dopado com impureza

pentavalente) onde os portadores majoritários são as lacunas e os portadores minoritários

são os elétrons, podemos escrever a condutividade elétrica como sendo:

np nene (3. 49)

Onde p e n são as mobilidades elétricas dos portadores majoritários (lacunas) e

minoritários (elétrons), respectivamente.

3. 11 – Diodo Zener

Diodos Zener são semicondutores especialmente construídos para trabalhar

com tensão reversa igual ou maior que a tensão de ruptura da junção-PN.

46

Uma alta tensão de polarização reversa faz com que o diodo alcance a região de

ruptura e conduza uma alta corrente reversa. Após o ponto de ruptura, uma pequena

variação na tensão reversa ocasiona grandes variações na corrente reversa. Ultrapassando

esse ponto, diz-s e que o diodo está operando em sua “região de ruptura zener”. Nesse caso

a corrente que passa pelo diodo é inferida como a “corrente zener”, IZ.

Os valores típicos de tensão zener (Vz) podem variar desde alguns volts até

centenas de volts. Os mais comuns de baixa tensão são de 3,1V; 4,7V; 5,1V; 6,2V; 9,1V.

Estes representam os valores nominais de tensão reversa sobre o diodo, quando a corrente

zener é um valor especificado, chamado de corrente de teste zener (IZt). È necessário

especificar os valores máximos e mínimos da tensão de ruptura. O que é dado em

porcentagem de tolerância com 20%, 10%, 5%, 1%.

As especificações de potência são dadas a uma dada temperatura, por exemplo,

a 25oC a capacidade de dissipação de potência é de 400mW.

Existem diodos zener com capacidade de dissipação de até 50W. A capacidade

de potência diminui para uma maior temperatura e aumenta para baixa temperatura.

É necessário se limitar também a corrente reversa máxima que pode fluir em

um diodo zener chamada “máxima corrente zener”, IZmax.

zenerTensãoPotênciaIZ max (3. 50)

Outra importante característica é a impedância zener Zz.

IVZZ

0 (3. 51)

A variação de corrente considerada deve está acima e abaixo do valor da

corrente de teste, IZt.

3.11.1 - Regulador de tensão a diodo zener

Geralmente os circuitos de estado sólido requerem tensões contínuas constante

sem qualquer variação.

47

Uma fonte de tensão alimentada pela rede de C. A. apresenta variação de tensão

de saída quando tensão da rede varia, ou ainda, quando são ligados cargas de diferentes

valores de resistência.

Um diodo zener polarizado reversamente incluído no circuito de saída da fonte

mantém a tensão de saída em um valor constante igual a tensão zener, VZ.

O valor do resistor em série, RS, permite um fluxo de corrente suficiente para o

diodo zener trabalhar em sua região de ruptura. A tensão C. C. não regulada precisa ser

maior que a tensão de ruptura zener do diodo utilizado.

Após ligada a carga, RL, a corrente através de RS será a soma das correntes pelo

diodo IZ e pela carga IL (L = load = carga).

LZS III (3. 52)

A corrente de carga é determinada pelo valor da tensão zener e da resistência

RL.

L

ZL R

VI (3. 53)

Se a carga, RL, aumenta a tensão sobre RL tenderá a aumentar mas o diodo

mantém constante a tensão sobre RL e assim, quando RL cresce de valor a corrente IL

diminui e IZ aumenta mantendo constante a corrente através de RS (IS = IL + IZ), logo

LLRL IRV . (3. 54)

O regulador de tensão a diodo zener mantém, assim uma tensão de saida

relativamente constante, ainda que ocorrerá uma mudança na tensão de entrada ou na

corrente de carga (corrente de saída).

3. 12 – Diodos Especiais

3. 7.1 - LED - Diodo Emissor de Luz

O led (light emitter diode - diodo emissor de luz), como o próprio nome já diz,

é um diodo (junção P-N) que quando energizado emite luz visível. A luz é monocromática

48

e é produzida pelas interações energéticas do elétron. O processo de emissão de luz pela

aplicação de uma fonte elétrica de energia é chamado "eletroluminescência".

Em qualquer junção P-N polarizada diretamente, dentro da estrutura, próximo à

junção, ocorrem recombinações de lacunas e elétrons. Essa recombinação exige que a

energia possuida por esse elétron, que até então era livre, seja liberada, o que ocorre na

forma de calor ou fótons de luz.

No silício e no germânio, que são básicos nos diodos e transistores, entre outros

componentes eletrônicos, a maior parte da energia é liberada na forma de calor, sendo

insignificante a luz emitida, e os componentes que trabalham com maior capacidade de

corrente chegam a precisar de irradiadores de calor (dissipadores) para ajudar na

manutenção dessa temperatura em um patamar tolerável.

Já em outros materiais, como o arseneto de gálio (GaAs) ou o fosfeto de gálio

(GaP), o número de fótons de luz emitido é suficiente para constituir fontes de luz bastante

visíveis.

A figura 6 apresenta de forma simplificada uma junção P-N de um led e

demonstra seu processo de eletroluminescência. O material dopante de uma área do

semicondutor contém átomos com um elétron a menos na banda de valência em relação ao

material semicondutor. Na ligação, os íons desse material dopante (íons "aceitadores")

removem elétrons de valência do semicondutor, deixando "lacunas", portanto, o

semicondutor torna-se do tipo P. Na outra área do semicondutor, o material dopante contém

átomos com um elétron a mais do que o semicondutor puro em sua faixa de valência.

Portanto, na ligação esse elétron fica disponível sob a forma de elétron livre, formando o

semicondutor do tio N.

Na região de contato das duas áreas, elétrons e lacunas se recombinam, criando

uma fina camada isenta de portadores de carga, a chamada barreira de potencial, onde

temos apenas os íons "doadores" da região N e os íons "aceitadores" da região P, que por

não apresentarem portadores de carga "isolam" as demais lacunas do material P dos outros

elétrons livres do material N.

Um elétron livre ou uma lacuna só pode atravessar a barreira de potencial

mediante a aplicação de energia externa (polarização direta da junção). Aqui é preciso

ressaltar um fato físico do semicondutor: nesses materiais, os elétrons só podem assumir

49

determinados níveis de energia (níveis discretizados), sendo as bandas de valência e de

condução as de maiores níveis energéticos para os elétrons ocuparem.

A região compreendida entre o topo da de valência e a parte inferior da de

condução é a chamada "banda proibida". Se o material semicondutor for puro, não terá

elétrons nessa banda (daí ser chamada "proibida"). Como mostra a figura 7, a recombinação

entre elétrons e lacunas, que ocorre depois de vencida a barreira de potencial, pode

acontecer na banda de valência ou na proibida. A possibilidade dessa recombinação ocorrer

na banda proibida se deve à criação de estados eletrônicos de energia nessa área pela

introdução de outras impurezas no material.

Como a recombinação ocorre mais facilmente no nível de energia mais próximo

da banda de condução, pode-se escolher adequadamente as impurezas para a confecção dos

leds, de modo a exibirem bandas adequadas para a emissão da cor de luz desejada

(comprimento de onda específico).

A luz emitida é monocromática, sendo a cor, portanto, dependente do cristal e

da impureza de dopagem com que o componente é fabricado. O led que utiliza o arseneto

de gálio emite radiações infravermelhas. Dopando-se com fósforo, a emissão pode ser

vermelha ou amarela, de acordo com a concentração. Utilizando-se fosfeto de gálio com

dopagem de nitrogênio, a luz emitida pode ser verde ou amarela.

Na figura 8, encontra-se o aspecto físico de alguns leds e o seu símbolo elétrico.

Em geral, os leds operam com nível de tensão de 1,6 a 3,3V, sendo compatíveis com os

circuitos de estado sólido. A potência necessária está na faixa típica de 10 a 150 mW, com

um tempo de vida útil de 100.000 ou mais horas.

Como o led é um dispositivo de junção P-N, sua característica de polarização

direta é semelhante à de um diodo semicondutor (figura 9).

Sendo polarizado, a maioria dos fabricantes adota um "código" de identificação para a

determinação externa dos terminais A (anodo) e K (catodo) dos leds.

Nos leds redondos, duas codificações são comuns: identifica-se o terminal K

como sendo aquele junto a um pequeno chanfro na lateral da base circular do seu invólucro

("corpo"), ou por ser o terminal mais curto dos dois. Existem fabricantes que adotam

simultaneamente as duas formas de identificação.

50

Nos leds retangulares, alguns fabricantes marcam o terminal K com um

pequeno "alargamento" do terminal junto à base do componente, ou então deixam esse

terminal mais curto. Essas identificações são notadas na figura 10.

Mas, pode acontecer do componente não trazer qualquer referência externa de

identificação dos terminais. Nesse caso, se o invólucro for semitransparente, pode-se

identificar o catodo (K) como sendo o terminal que contém o eletrodo interno mais largo do

que o eletrodo do outro terminal (anodo). Além de mais largo, às vezes o catodo é mais

baixo do que o anodo (figura 11).

Os diodos emissores de luz são empregados também na construção dos displays

alfa-numérico (figura 12).

Há também leds bicolores, que são constituídos por duas junções de materiais

diferentes em um mesmo invólucro, de modo que uma inversão na polarização muda a cor

da luz emitida de verde para vermelho, e vice-versa. Existem ainda leds bicolores com três

terminais, sendo um para acionar a junção dopada com material para produzir luz verde,

outro para acionar a junção dopada com material para gerar a luz vermelha, e o terceiro

comum às duas junções. O terminal comum pode corresponder à interligação dos anodos

das junções (leds bicolores em "anodo comum") ou dos seus catodos (leds bicolores em

"catodo comum").

Embora normalmente seja tratado por led bicolor (vermelho+verde), esse tipo

de led é na realidade um "tricolor", já que além das duas cores independentes, cada qual

gerada em uma junção. Essas duas junções podem ser simultaneamente polarizadas,

resultando na emissão de luz alaranjada.

Geralmente, os leds são utilizados em substituição às lâmpadas de sinalização

ou lâmpadas pilotos nos painéis dos instrumentos e aparelhos diversos. Para fixação nesses

painéis, é comum o uso de suportes plásticos com rosca.

3. 7.2 - Limitações de um LED

Como o diodo, o led não pode receber tensão diretamente entre seus

terminais,uma vez que a corrente deve ser limitada para que a junção não seja danificada.

Assim, o uso de um resistor limitador em série com o led é comum nos circuitos que o

utilizam.

51

Tipicamente, os leds grandes (de aproximadamente 5 mm de diâmetro, quando

redondos) trabalham com correntes da ordem de 12 a 20 mA e os pequenos (com

aproximadamente 3 mm de diâmetro) operam com a metade desse valor (de 6 a 10 mA).

Vamos dimensionar o resistor limitador de corrente para "acender" dois leds,

um grande e um pequeno, com uma fonte de 12V, como mostra a figura 13.

Independentemente do led, note que a tensão sobre ele é da ordem de 2V,conforme a curva

característica da figura 9.

Assim:

1 21 2

12 2 12 2,R RI I

(3. 55)

Adotamos 1 15I mA e 2 8I mA , logo:

112 2 10 680 *0,015 0,015

R (3. 56)

e

112 2 10 1,20,008 0,008

R K (3. 57)

* aproximamos os resultados para os valores comerciais mais próximos.

Os leds não suportam tensão reversa (Vr) de valor significativo, podendo

danificarem-se com apenas 5V de tensão nesse sentido. Por isso, quando alimentado por

tensão C.A., o led costuma ser acompanhado de um diodo retificador em antiparalelo

(figura 14), com a finalidade de conduzir os semi-ciclos nos quais ele - led - fica no corte,

limitando essa tensão reversa em torno de 0,7V (tensão direta máxima do diodo), ou seja,

em um valor suficientemente baixo para que sua junção não se danifique.

52

Figura - 3. 38. LED- Diodo emissor de luz.

3. 13 – Diodos Emissores De Luz ( LEDs )

A conversão de um sinal elétrico em um sinal luminoso é uma função de grande

importância na eletrônica. Sua aplicação mais elementar é em indicadores e mostradores

luminosos usados em equipamentos eletrônicos, aparelhos de som e vídeo, equipamentos

científicos e industriais, relógios, etc. Outra aplicação importante é na geração de imagens a

partir de um sinal eletrônico, como em cinescópios de computadores e aparelhos de

televisão. A partir da década de 1980, esta função adquiriu importância ainda maior com a

disseminação da comunicações ópticas. Nos sistemas de comunicação óptica, um sinal

elétrico que contém a informação a ser transmitida é convertido em sinal luminoso num

diodo emissor de luz ou num laser semicondutor. Este propaga através de uma fibra óptica

até o receptor, onde é convertido outra vez em sinal elétrico num fotodetector,

reproduzindo a informação original.

A emissão de luz numa lâmpada incandescente ocorre divido ao aquecimento,

um processo físico clássico. Os modernos dispositivos opto-eletrônicos operam com base

em processos quânticos de emissão de radiação, chamados processos de luminescência. A

luminescência é a emissão de fótons que ocorre quando um sistema quântico, como o

átomo, passa de um nível excitado para outro de menor energia. O sistema pode ser

colocado no estado excitado através de diversos métodos, tais como: absorção de luz (

fotoluminescência ); bombardeio com feixe de elétrons ( catodo-luminescência ); aplicação

de um campo ou corrente elétrica ( eletroluminescência ). A fotoluminescência é a base de

operação dos lasers de estado sólido. A catodo luminescência é o processo pelo qual os

53

cinescópios de aparelhos de TV e computadores produzem a luz, enquanto a

eletroluminescência ocorre nos diodos emissores de luz.

O funcionamento no diodo emissor de luz, o LED ( Light Emitting Diode ), é

baseado numa forma especial de eletroluminescência, produzida pela injeção de portadores

numa junção p-n. Quando uma junção p-n é polarizada no sentido direto, os buracos do

lado p e os elétrons do lado n movem-se em sentidos opostos em direção à região de

depleção. Os buracos injetados no lado n recombinam com elétrons que estão chegando na

região de depleção, enquanto os elétrons injetados no lado p recombinam com buracos que

lá se encontram. Desta forma, todos os elétrons e buracos que participam da corrente

recombinam nas imediações da região de depleção, numa camada de espessura Lp do lado

de p e Ln do lado de n. Se o semicondutor da junção tiver gap indireto, como Si ou Ge, além

dos fótons a recombinação produz fônons e, portanto, calor. Estão torna a emissão de luz

muito pouco eficiente nos semicondutores de gap indireto. Por outro lado se o

semicondutor tiver gap direto, a recombinação de cada par elétron-buraco resulta na

emissão de um fóton. A figura abaixo ilustra o processo de injeção de portadores

minoritários nos dois lados de uma junção p-n, produzindo recombinação de pares e

emissão de fótons por transições inter-banda. Este processo é extensamente eficiente na

conversão de energia elétrica em luz.

Figura - 3. 39. Aceleração do elétrons e dos buracos for efeito de absorção de um fóton na região da camada de depleção de uma junção P-N.

Os LEDs que operam no visível são muito utilizados para fazer lâmpadas

indicadoras para painéis de equipamentos eletro-eletrônicos. Estas lâmpadas são feitas com

54

uma grande variedade de formatos e cores. A figura 2 mostra uma estrutura típica de uma

lâmpada de LED.

Figura - 3. 40. Esquema de montagem de um LED.

O chip do LED é montado sobre um dos pinos metálicos utilizados como

terminal externo. O contato com o outro terminal é feito por um fio soldado no filme

metálico no lado da janela do LED. O conjunto é encapsulado num plástico colorido, cuja

parte superior forma uma lente para colimar parcialmente a radiação.

Os LEDs de infravermelho são utilizados em sistemas de comunicações ópticas.

Estes sistemas são baseados na transmissão de informação por meio de um feixe de luz

infravermelho, que propaga confinado em uma fibra óptica com diâmetro de alguns m. Os

LEDs com essa finalidade são feitos com uma estrutura conhecida pelo nome do inventor,

Burrus. Na estrutura do Led tipo Burrus, o contato metálico com o semicondutor é

confinado a uma região de diâmetro semelhante ao da fibra óptica. Isso faz com que a

região ativa de emissão de luz seja pequena, resultando num eficiente acoplamento com a

fibra óptica. A fibra é montada rigidamente na estrutura e presa por meio de resina de

epoxi, como mostrado na Figura - 3. 41.

55

Figura - 3. 41. Esquema de construção de um LED a partir de um semicondutor de GaAs.

O circuito de alimentação dos LEDs são bastantes simples. Para a emissão de

luz com intensidade constante basta fazer circular no sentido direto do diodo uma corrente

constante. Nos sistemas de comunicações ópticas é preciso incorporar um circuito de

modulação da corrente para produzir as variações correspondentes na intensidade da luz.

Dimensionamento do Resistor Limitador de Corrente & Característica I X V do Led

Uma vez conhecido os limites de operação informados pelo fabricante ou

obtidos experimentalmente em laboratório, podemos, em uma etapa específica do projeto

do circuito determinar qual o resistor ideal a ser empregado para limitação da corrente no

LED. Na prática, podemos adotar o seguinte procedimento:

Especifica-se qual o brilho desejado em função de um brilho referencial, o que

é possível através de um gráfico característico do componente, relacionado a corrente

através do LED ( ID ) e brilho relativo do componente;

Uma vez identificado o Id associado ao brilho desejado, verifica-se a queda de

tensão no LED ( VD ) associada àquela corrente;

Calcula-se o valor da resistência R associada para um dado nível de tensão de

alimentação ( VA ) do conjunto LED-resistor, como ilustra a figura abaixo

56

Figura - 3. 42. Esquema de um circuito de uma LED.

onde obtemos VA pela seguinte relação:

D

DA

IVVR

(3. 58)

É válido lembrar que, para cada valor de R em série ao LED, teremos uma

curva característica tensão corrente com grandes alterações na região de condução, situação

onde a resistência do LED começa a representar valores muito baixos em relação ao

resistor. Nesta região, o gráfico assume a inclinação característica da curva tensão corrente

do resistor ( a diferença é a não linearidade imposta pelo LED que possui um VD

aproximadamente constante). Na região de polarização reversa o gráfico não sofre grandes

alterações, pois, os níveis de corrente são muito baixos para se notar a queda de tensão no

resistor. A figura a seguir mostra o tipo de alteração sofrida no aspecto do gráfico.

Figura - 3. 43. Curvas de tensão-corrente de um diodo.

57

3. 14 – Foto-emissão e foto-recepção em junções pn

Absorção e Emissão de Luz em Materiais com Impurezas

Em cristais semicondutores contendo impurezas, a presença de níveis discretos

de energia entre as bandas de valência e de condução dá origem a importantes processos de

absorção e emissão de fótons. A Figura - 3. 44 ilustra processos de emissão em

semicondutores tipo p e tipo n.

Figura - 3. 44. Emissão de um fóton na transição eletrônica em um semicondutor.

Em a um elétron da banda de condução passa para um nível vazio de impureza

aceitadora emitindo um fóton de energia ( Ec – Ea ). Em b um elétron no nível de impureza

doadora recombina com um buraco da banda de valência emitindo fóton de energia ( Ed –

Ev ).

Apesar do número de impurezas num sólido ser muito pequeno comparado com

o dos íons de cristal, os processos de emissão e absorção de fótons envolvendo níveis de

impurezas são muito importantes, especialmente nos semicondutores de gap indireto.

Devido a facilidade dos elétrons e buracos se recombinarem por este processo de emissão

de fótons, as impurezas são chamadas de centros de recombinação.

Fotodetetores

Fotodetectores são dispositivos que convertem luz num sinal elétrico. O

desenvolvimento dos fotodetectores e dos fotoemissores de semicondutor permitiu a

substituição das válvulas e lâmpadas a vácuo e deu um enorme impulso à opto-eletrônica.

os fotodetectores mais utilizados atualmente nas regiões visível e infravermelho próximo

são os fotodiodos e os foto-resistores de semicondutor. Nestes dois dispositivos, o

58

mecanismo fundamental de conversão de luz em corrente elétrica é a geração de pares

elétron-buraco por absorção de fótons. Este processo provoca uma diminuição na

intensidade da luz a medida que esta penetra no material.

Considerando que o semicondutor tem espessura tal que toda a radiação é

absorvida, a taxa de criação de pares elétron-buraco é determinada pela intensidade inicial

I0 da luz.

Fotodiodos

Fotodiodos são detectores de radiação nos quais o sinal elétrico é produzido

pela geração de pares elétron-buraco causada por absorção de fótons nas imediações da

região de depleção de uma junção p-n. Os elétrons e os buracos dos pares criados pela

radiação são acelerados em sentidos opostos pelo campo elétrico da junção. Como o campo

tem sentido do lado n para o lado p, os buracos são acelerados no sentido de n para p,

enquanto os elétrons movem-se no sentido p para n, como ilustrado na Figura - 3. 45.

Figura - 3. 45. Aceleração do elétrons e dos buracos for efeito de absorção de um fóton na região da camada de depleção de uma junção P-N.

Isto resulta numa corrente gerada pela radiação no sentido n para p, que é o sentido reverso

da corrente na junção. Uma grande diferença dos fotodiodos para os foto-resistores é que

neles a foto-corrente é produzida sem a necessidade da aplicação de uma tensão externa.

59

A detecção da radiação nos fotodiodos pode ser feita em dois modos distintos

de operação: no modo fotovoltaico o fotodiodo opera com circuito aberto, e quando a

junção é iluminada aparece uma tensão entre os lados p e n que pode ser medida

externamente; no modo fotocondutivo o dispositivo é curto-circuitado, ou opera sob uma

tensão externa no sentido reverso. Nesta situação uma corrente flui no sentido reverso

quando a junção é iluminada. A escolha do modo de operação do fotodiodo depende de sua

aplicação.

Em qualquer modo de operação, o fotodiodo sob radiação comporta-se como

uma junção p-n cuja corrente tem duas componentes: a primeira é aquela que existe sem a

geração de pares por absorção de fótons. Ela é chamada de corrente de escuro e é dada por

)1( / TkeVse

beII (3. 59)

onde Is é a corrente de saturação reversa, e V a tensão na junção; a outra componente é

aquela produzida pelos pares elétron-buraco gerados pelos fótons absorvidos nas

proximidades da junção.

3.12.1 - Diodo Tunel

Ë utilizado em circuitos osciladores e seus símbolos são mostrados na

Figura - 3. 46.

Figura - 3. 46. Símbolos utilizados para o diodo túnel.

A construção deste diodo é feita de forma que a variação de tensão positiva

produz uma corrente negativa (sentido contrario ao que deveria ser) possibilitando assim

uma resistência negativa.

60

IVR

(3. 60)

Ele utiliza o efeito quântico chamado de tunelamento de barreira de potencial

pelos portadores de carga e sua curva característica é mostrada na Figura - 3. 47.

Figura - 3. 47. Símbolo de um diodo varactor

3.12.2 - Diodo Varactor

É um diodo que funciona em termos de sua capacitância. Ele é utilizado em

circuito de sintonia e seu símbolo é mostrado na

Figura - 3. 48.

Figura - 3. 48. Diodo varactor ou varicap

61

A construção deste dispositivo permite que ele se comporte como um diodo em

função de sua capacitância.

A partir de agora estudaremos os diodo utilizados em altas freqüências.

3.12.3 - Diodo PIN

É utilizado em geradores de altas freqüências e seu símbolo é mostrado na

Figura - 3. 49.

Figura - 3. 49. Esquema e símbolo de um diodo PIN.

A construção deste diodo é feita acrescentando-se um material (cristal

semicondutor puro) intrínseco entre as junções p e n convencionais de um diodo comum.

Figura - 3. 50.

3.12.4 - Diodo Impatt ( Impact Avalanch Transit Time)

Este diodo é utilizado em geradores de altas freqüências ( 6,0GHz ou mais) e

seu símbolo é mostrado na Figura - 3. 51.

62

Figura - 3. 51. Símbolo do diodo IMPATT.

A construção deste diodo permite a pasagem de ...

3.12.5 - Diodo Hot Carrie ou Diodo Schottky

É utilizado em geradores de altas freqüências e su símbolo é mostrado na

Figura - 3. 52.

Figura - 3. 52.

3.12.6 - Diodo Lambda

Ë utilizado em circuitos de alta freqüência como fusível eletrônico e també em

circuitos de chaveamento, como monitor automático de tensão de bateria e como memória,

etc. Seu símbolo é mostrado na Figura - 3. 53.

Figura - 3. 53.

63

A construção deste diodo é feita de forma que ele apresente uma tensão de

ruptura quando a polarização é direta. Sua curva característica é mostrada na Figura - 3. 54.

Figura - 3. 54.

3.12.7 - Diodo Gunn

Ë utilizado como geradores de RF e de microondas e seu símbolo é mostrado na

Figura - 3. 55.

Figura - 3. 55.

A construção deste diodo é feita de Arsenito de Gálio e produz o efeito GUNN

(efeito de ....) que é semelhante aos diodos de junção.

64

3. 15 - Retificadores

Definições

Eletrônica: Dispositivo termiônico ou semicondutor que apresenta condutibilidade

unilateral.

Eletrotécnica: Transdutor de energia elétrica que transforma um sistema de Corrente

Alternada (C.A.) em Corrente Unidirecional (Corrente Continua (C.C.)).

Retificadores são circuitos que têm a função de transformar uma corrente

alternada em contínua, através de dos dispositivos chamados diodo, o diodo é um

componente construído com um semicondutor (silício ou germânio); Ele possui certas

características (diodo polarizado direta ou indiretamente) que atuam na onda alternada,

transformando-a em contínua.

Os retificadores são conversores com semicondutores tanto válvulas não

controláveis (diodos munidos de dois eletrodos; um anodo e um catodo), como válvulas

controláveis (tiristores e transistores, que possuem um terceiro eletrodo, chamado de porta,

no caso do tiristor, ou de base, num transistor).As montagens são monofásicas para as

instalações de baixa potência (carga de acumuladores), ou polifásicas, para as instalações

de maior potência (comando de motores; alimentação de redes de transporte de corrente

continua).

Os diodos possuem propriedades retificadoras. Mas na verdade o que é que

isso significa?. Isso quer dizer que eles só deixam a corrente fluir em um único sentido,

sendo que o contrário é “impossível”. Essa propriedade dos diodos é largamente utilizada

nos retificadores.

65

3. 16 - Tipos de Retificadores:

Retificadores (monofásicos) de Meia Onda

Partindo de um transformador simples, basta acrescentar-lhe um diodo para

retificar a corrente em meia onda, onde só os semiciclos positivos são aproveitados e

transformados em uma corrente constante (contínua)A saída é uma tensão retificada de

meia onda.

Figura - 3. 56.

Retificador de Onda Completa (em ponte) ou Retificador (monofásico) de onda completa

Trata-se do tipo mais comum de circuitos retificadores. Apresenta quatro

diodos, dois dos quais conduzem ao mesmo tempo.Para um dado transformador ele produz

a maior tensão C.C. de saída com a menor ondulação (Ripple).Com o mesmo transformador

do exemplo anterior é possível fazer um retificador de onda completa. Sua vantagem é que

ele conduz os semiciclos positivos e os negativos, de um modo que haja uma tensão

contínua positiva durante os dois semiciclos. Durante cada semiciclo, sempre dois diodos

estão em condução e dois em corte:

66

Figura - 3. 57.

Retificador de Onda Completa (Trafo com Tomada Central (C.T.))

Trata-se de um retificador com derivação central no enrolamento do secundário

e dois diodos que funcionam como dois retificadores de meia onda “um de costas para o

outro”.Um diodo controla um semiciclo da saída e o outro o outro semiciclo.

Outro método usado para retificar uma corrente alternada é através de um

transformador que possua tomada central. Esses transformadores são facilmente

encontrados atualmente. Neles estão geralmente gravados "12 V + 12 V", por exemplo, o

que indica a tensão e o que não quer dizer que ele seja equivalente a um de 24 V. Para

realizar a retificação, basta colocar um diodo em cada um dos terminais e reservar o

terminal central para o negativo.A saída é uma tensão retificada de onda completa:

Figura - 3. 58.

Concluindo, retificadores são artifícios utilizados na eletrônica para transformar

a Corrente Alternada (C.A.) em Corrente Contínua (C.C.). Isso pode se dar de diversas

67

maneiras. Seja através de retificadores de meia onda ou de onda completa. Os retificadores

de onda completa dividem-se em dois tipos: Os que precisam de tomada central no

transformador e os que não a necessitam.

68

3. 17 – O Transistor

O transistor é um dispositivo eletrônico construído de material sólido

semicondutor em três camadas e duas junções, usado para controlar fluxo de elétrons livres

por meio de tensões elétricas aplicadas aos três elementos dos materiais que formam suas

camadas. Ele foi inventado por volta da década de 50 pelos cientistas Bardeen e W.

Schockley nos laboratórios da Bell System Eletronics. O nome transistor deriva-se da

junção de duas palavras da língua inglesa, a saber:

resistorTransferistorTransTransistor (3. 61)

Este nome é atribuído por causa da sua principal propriedade de apresentar uma

baixa resistência de entrada, quando a junção correspondente se encontra polarizada

diretamente e uma alta resistência de saída, quando a junção correspondente se encontra

polarizada reversamente. Portanto, ele é um resistor não-ôhmico capaz de transferir tensão

da sua entrada para a sua saída de forma amplificada.

3.17.1 - Antecedentes e ambiente histórico

Antes de 1950 todo equipamento eletrônico utilizava válvulas, aquelas com

bulbo de baixo brilho que numa determinada [época dominaram a nossa indústria. O

aquecedor de uma válvula típica consumia muitos watts de potência. Por isso, os

equipamentos a válvula exigiam uma fonte de alimentação robusta e criavam uma boa

quantidade de calor que constituíam um problema a mais para os projetistas. O resultado

eram os equipamentos pesados e antiquados tão difundidos naquela época.

Em 1951, William Shockley, juntamente com Jonh Bardeen e Walter H.

Brattain, inventou o primeiro transistor de junção. Foi um desses grandes acontecimentos

que mudam todas as regras. Todos estavam ansiosos na época e previam que grandes

acontecimentos estavam para acontecer. Quando os fatos se concretizaram, as previsões

mais ousadas não estavam nem perto do novo mundo que estava para vir.

O impacto do transistor na eletrônica foi enorme. Além de iniciar a indústria dos

multibilhões de dólares dos semicondutores, o transistor contribuiu para todas as invenções

relacionadas, como os circuitos integrados, componentes optoeletrônicos e

69

microprocessadores. Praticamente todos os equipamentos eletrônicos projetados hoje em

dia usam componentes semicondutores.

As mudanças foram mais perceptíveis nos computadores. O transistor não

revisou a indústria dos computadores, ele a criou. Antes de 1950 um computador ocupava

uma sala inteira e custava milhões de dólares. Hoje, um bom computador cabe numa

escrivaninha e custa, às vezes, menos de mil dólares.

3.17.2 - Biografia dos Inventores

William Shockley nasceu em Londres, Inglaterra, em 13 de fevereiro de 1910. Filho de

Hillman Shockley, um engenheiro de Massachusetts e sua esposa Mary.

Figura - 3. 59. WILLIAM SHOCKLEY

A família retornou aos Estados Unidos em 1913 e William Jr. Foi educado na

California, onde obteve seu doutorado em 1932. Estudou no Instituto de Tecnologia de

Massachusetts onde obteve seu Ph.D. em 1936 com sua tese sobre a estrutura da banda de

energia do cloreto de sódio. No mesmo ano, trabalhou nos laboratórios da Bell Telephone

em um grupo liderado pelo Dr. C.J. Davissom, onde permaneceu até 1955. Demitiu-se do

cargo de diretor do departamento de física do transistor para começar como diretor do

laboratório de semicondutores Shockley da Beckman Instruments na Califórnia, onde

pesquisou o desenvolvimento e a produção de novos transistores e outros dispositivos

semicondutores.

70

As pesquisas de Shockey foram centradas nas bandas de energias dos sólidos,

teoria dos tubos de vácuo, alto difusão de Cooper, experimentos e teoria no domínio

ferromagnético, vários tópicos na física do transistor etc.

Seu trabalho rendeu-lhe muitas honras. Recebeu a medalha do mérito em 1946

pelo seu trabalho no Departamento de Guerra; o Morris Leibmann Memorial Prize do

Instituto de Engenharia de Radio em 1952; no ano seguinte o prêmio Oliver E. Buckley

Solid State Physics da Sociedade Americana de Física, dentre muitos outros.

Em adição a numerosos artigos científicos, Shockleu escreveu Elétrons and

Holes in Semiconductors (1950) e publicou Imperfections of Nearly Perfect Crystals

(1952). Também patenteou mais de 50 invenções.

Jonh Bardeen nasceu em Madison, Winsconsim em 23 de maio de 1908. Filho do Dr.

Charles R. Bardeen e Althea Harmer.

Figura - 3. 60. JONH BARDEEN

Bardeen freqüentou a Universidade de Madison por vários anos, mas após

graduar-se foi freqüentar um curso de engenharia elétrica na Universidade de Winsconsin

onde participou de vários trabalhos nas áreas de física e matemática. Após formado,

trabalhou no departamento de engenharia da Western Eletric Company em Chicago e ao

mesmo tempo em que prosseguiu seus estudos.

Em Winsconsin trabalhou como assistente de pesquisa na área de engenharia

elétrica por dois anos, dedicando-se a problemas matemáticos aplicados à geofísica e a

71

radiação de antenas. Foi durante esse período que obteve conhecimento da teoria quântica

através do professor J.H. Van Vleck.

Mais tarde trabalhou no Gulf Reserach Laboratories em Pittsburg, Pensilvânia

no desenvolvimento de métodos de interpretação de medidas magnéticas e gravitacional.

Este foi um período estimulante no qual os métodos geofísicos foram pela primeira vez

aplicados para prospecção de petróleo.

Devido ao seu interesse mas na ciência pura que aplicada, Bardeen deixou seu

trabalho no Gulf Laboratories em 1933 para fazer um trabalho de graduação em física

matemática na Universidade de Princeton. Sob a liderança do professor E.P. Wigner,

interessou-se primeiro pela física do estado sólido. Os próximos três anos ele passou

trabalhando como o professores Van Vlerck e Bridgman em problemas de coesão e

condutividade elétrica nos metais. Obteve seu Ph.D. em Princeton em 1936.

Os principais campos de pesquisa desde 1945 eram a condução elétrica em

semicondutores e metais, teoria da supercondutividade e difusão dos átomos em sólidos.

Em 1957, Bardeen e dois colegas, L.N.Cooper e J.R. Schrieffer, propuseram a primeira

explicação bem sucedida da supercondutividade.

Walter H. Brattain nasceu em Amoy, China em fevereiro de 1902. Filho de Ross R.

Brattain e Ottilie Houser, ele passou sua infância no estado de Washington e graduou-se no

Whitman College em 1924.

Figura - 3. 61. WALTER H. BRATTAIN

72

O Dr. Brattain foi membro da equipe técnica do Bell Laboratóries desde 1929.

O alvo principal das suas pesquisas foram as propriedades superficiais dos sólidos. Desde

cedo seu trabalho foi voltado para emissão termiônica e absorção de camadas no

tungstênio. Continuou no campo da retificação e foto-efeitos na superfície de

semicondutores, iniciando com o estudo da retificação na superfície do óxido de cobre.

Estudos similares foram feitos com o silício. Após a segunda guerra ele continuou na

mesma linha de pesquisa com o silício e o germânio.

O Dr. Brattain recebeu o título honorário de doutor em ciência da Universidade

de Portland em 1952, do Whitman College e Union College em 1955 e da Universidade de

Minesota em 1957. Em 1952 foi homenageado com a medalha Stuart Ballantine do

Franklin Institute, e em 1955 com a medalha Honh Scott.

Dr. Brattain é um membro da National Academy of Science e do Franklin

Institute; um associado da Sociedade de Física Americana e da Associação Americana para

o Avanço da Ciência.

3.17.3 – Tipos de Transistores

Existem diferentes tipos de transistor quanto a sua construção física e

funcionamento. Dentre eles podemos citar:

O transistor de junção ou bipolar, o transistor de unijunção ou monopolar, o

transistor de efeito de campo ou FET (Field Effect Transistor) e o Transistor MOSFET (

Oxide Silicon Field Effect Transistor). Todos eles serão estudados neste curso em uma

oportunidade conveniente ao longos dos capítulos que se sucederão. Por enquanto vamos

continuar a descrever as propriedades e o funcionamento do transistor bipolar.

73

3. 18 – Transistor de Junção

Trata-se de um dispositivo eletrônico constituído de três camadas e duas

junções de materiais semicondutores, usado para controlar o fluxo de elétrons através das

tensões aplicadas aos 3 elementos. São empregados materiais semicondutores, Silício – Si

e Germânio – Ge , que adquirem estrutura cristalina no processo de fabricação.

3.12.1 - Construção do Transistor de junção Bipolar

Basicamente existem dois tipos de junção uma chamada NPN e outra chamada

de PNP, representados conforme a Figura - 3. 62.

Figura - 3. 62. Construção e representação esquemática dos transistores de junção bipolares.

Na formação da pequena pastilha, 3 regiões semicondutores distintas são

agrupadas de duas maneiras diferentes. Uma camada semicondutora tipo N entre duas tipo

P, formam o Transistor PNP. O meio ou região “N” é chamado base e as regiões “P”

formam o Emissor e o Coletor.

No Transistor NPN, a camada do meio é a Base, tipo P, e os extremos tipo N,

são Emissor e Coletor.

O Transistor assim construído, é controlado pela corrente que flui por seus

terminais e esta, por sua vez, é controlada pela variação da tensão de entrada.

74

Figura - 3. 63.

A construção destes dois tipos de junções é feita dopando-se o material

semicondutor (tetravalente) com impureza trivalente (Boro, etc), para obtenção do material

tipo-P, como aquele do emissor e do coletor do transistor PNP, ou dopando-se o material

semicondutor com impureza pentavalente (As, etc) para obtenção do material tipo-N como

aquele do emissor e do coletor do transistor NPN. Sendo que no transistor PNP a dopagem

P do emissor é maior do que a dopagem-P do coletor e no transistor NPN a dopagem-N do

emissor é maior do que a dopagem-N do coletor. Para lembrar fixemos as equações abaixo:

Pnp: Dopagem-P do emissor > Dopagem-P coletor

E CD P D P (3. 62)

Npn:Dopagem-N do emissor > Dopagem-N coletor

E CD N D P (3. 63)

Obs.: No transistor o emissor é sempre mais dopado que o coletor (PNP; NPN).

75

Figura - 3. 64. Símbolo do transistor NPN e PNP respectivamente

Nos transistores, os elétrons ora são portadores majoritários e ora são

portadores minoritários dependendo do lado da junção que está sendo considerada.

O controle da corrente de elétrons determina o uso como: Amplificador,

Oscilador, Comutador, etc. Há outras denominações para o transistor; além de Bipolar ou

Transistor de Junção, ele pode ser chamado Transistor Uni-junção ou UJT, Transistor de

Efeito de Campo ou FET, Transistor de Efeito de Campo Metal Óxido Silício ou MOSFET,

etc; cada denominação caracteriza aplicações diversas conforme a sua construção.

3.12.2 – Teste do Transistor de Junção Bipolar

Na prática, usando-se um multímetro, para se descobrir se um transistor é PNP,

ou NPN, deve-se satisfazer a seguinte tabelas de polarização

Tabela de Polarização do Transistor

Pólo + Pólo - Resistência ()

Emissor Base baixa

PNP

Coletor Base baixa

- + Resistência ()

Emissor Base baixa

NPN

Coletor base baixa

76

3.12.2 - Polarização de Transistores de Junções

Polarizar um transistor é impor o valor da corrente de coletor, IC. Essa

polarização será estabilizada se for feita imune a variações de suas características e imune a

influência de temperatura.

Como o transistor possui duas junções e cada bateria possui dois pólos,

portanto, há quatro maneiras diferentes de aplicarmos tensões elétricas externas, mas existe

uma só forma de polarizar o transistor de maneira que ele opere nas condições desejadas,

conforme mostra a Figura - 3. 65.

Figura - 3. 65. Diferentes formas de se polarizar um transistor a) forma correta para o transistor PNP; b) ; c) e d) forma errada para o transistor PNP.

77

Figura - 3. 66. Diferentes formas de se polarizar um transistor a) ; b) c) forma errada para o transistor NPN ; d) forma correta para o NPN.

Para o transistor ampliar uma dada corrente, seja transistor NPN, ou PNP, é

necessário polarizar diretamente a junção Base-Emissor e inversamente a junção Base-

Coletor. Portanto, a partir das Figuras Figura - 3. 65 e Figura - 3. 66 conclui-se que a junção

Emissor-Base deve ser polarizada diretamente e a junção Base-Coletor deve ser polarizada

reversamente.

Figura - 3. 67. Polarização: Base - Emissor - polarização direta e Base - Coletor - polarização reversa.

78

Supondo-se inicialmente que a junção Emissor-Base é polarizada diretamente e

a junção Base-Coletor é polarizada reversamente, conforme mostra a Figura - 3. 68, onde

os resistores R1 e R2 servem para limitar a corrente a fim de não danificar o transistor.

Figura - 3. 68. Polarização: Base - Emissor - polarização direta e Base - Coletor - polarização reversa.

Na prática usamos apenas uma bateria e as tensões para polarizar as duas

junções são conseguidas por divisores resistivos de tensão.

Polarizar o transistor é, pois, determinar essas tensões e de modo que ele

trabalhe com segurança, em sua região ativa. O processo consiste em se escolher ou impor

o valor da corrente de Coletor, IC, e o valor da tensão Coletor-Emissor, VCE, a partir das

condições de trabalho do circuito desejado e dos dados do transistor, fornecidos pelo

fabricante em forma descritiva ou por curvas características. O ponto de operação do

transistor (VCE, IC), também chamado ponto de polarização ou ainda ponto quiescente, é

tomado sobre a curva característica de saída do transistor.

79

3. 19 – Funcionamento do transistor

Uma figura que ajuda a entender o funcionamento do transistor de junção

bipolar é a alavanca, conforme mostra a Figura - 3. 69.

Figura - 3. 69. Comparação do funcionamento do transistor de junção bipolar com a alavanca mecânica.

Assim como a alavanca mecânica, para pequenas oscilações de um lado, produz

grandes oscilações do outro; o transistor também para pequenas flutuações de tensão de

entrada produz grandes flutuações de tensão de saída, conservando a potencia, P = VI, nos

dois lados, assim como alavanca mecânica conserva o torque, T = F.l, onde F é a força e l é

o braço da alavanca.

A “entrada” e a “saída” de um transistor é chamada de emissor e coletor

respectivamente. O ponto de apoio da alavanca é chamado de base. Sua construção ou

montagem definitiva deve-se a Lee de Forest.

80

Transistor NPN

Assumindo inicialmente a junção Base-Coletor, ou junção de Coletor, e

polarizando-a reversamente, esta conduzirá uma mínima corrente de fuga, mantida pelos

portadores minoritários nas regiões da Base e do Coletor.

Retirando a tensão aplicada à junção de Coletor e aplicando-a à junção de

Emisor, ou seja, entre a Base e O Emissor, de modo a polarizar diretamente esta junção,

uma certa quantidade de corrente direta atravessará a junção. Embora na junção os elétrons

e lacunas sejam forçados pela tensão externa aplicada, a se recombinarem, ficará um

excesso de elétrons do Emissor que é fortemente dopado, enquanto a Base é levemente

dopada. Esse excesso de elétrons, portadores majoritários do material tipo N, é responsável

pela corrente direta.

Somente quando polarizado ao mesmo tempo as duas junções, se obterá o efeito

“transistor” – TRANSfer + resISTOR.

Figura - 3. 70

81

Como a junção de Emissor está polarizada diretamente, os portadores

majoritários (elétrons) do Emissor se deslocam no sentido da Base, mas, por construção, a

Base é feita muito fina e pouco dopada, de modo que muitos elétrons vindos de Emissor

não se recombinam com as lacunas da Base, que são poucas, mas alcançam a região de

Coletor e seguem atraídos pelo pólo positivo da bateria. O número de elétrons que cruzam a

junção é determinado pela reduzida região da barreira Emisor-Base, cuja largura é

determinada pela amplitude de polarização direta (VBE), Se for aumentada a tensão de

polarização direta, a barreira Emissor-Base diminuirá, a corrente de Emissor aumentará e,

conseqüentemente, aumentarão as correntes de base e de Coletor.

Figura - 3. 71

Transistor PNP

A análise feita para o transistor NPN vale para o Transistor PNP, apenas

necessitando-se inverter o sentido das correntes, das baterias e considera que agora os

portadores majoritários são as lacunas.

82

Figura - 3. 72

3.13.4 - Efeito transistor

Nas duas montagens, a corrente de Emissor é grande, a corrente de Base é

muito pequena e a corrente de Coletor também é grande, mas menor que a de Emissor, que

é a soma de IB com IC.

Logo, pela lei de Kirchhoff temos que:

VCEB = VCB + VBE (1. 1)

e

IE = IB + IC (3. 64)

Por exemplo, considerando que 98 a 99% das lacunas vindas do emissor vão para o

coletor, logo dividindo a equação (3. 64) pela corrente total vinda do emissor, temos que:

1E

C

E

B

II

II (3. 65)

As correntes de Coletor, Emissor e base saem das relações dadas pelos

parâmetros alfa () e beta ().

O chamado parâmetro alfa () pode ser definido como a relação entre a

corrente de Coletor, IC, e a corrente de Emissor, IE:

83

E

C

II

(3. 66)

Sendo a corrente de Coletor menor que a corrente de Emissor, mas quase

iguais, a relação é menor que a unidade e próxima desta: < 1.

O chamado parâmetro Beta () pode ser definido como sendo a relação entre a

corrente de Coletor, IC, e a corrente de Base, IB e por ser esta relação entre as correntes de

saída e entrada, , é o próprio valor da amplificação de corrente do transistor, geralmente

chamado de ganho de Corrente.

C

B

II

(3. 67)

Destas relações concluímos que:

IC = IE (1. 2)

e

IC =IB (1. 3)

Substituindo IB e IE na última relação, obteremos a relação entre e

11

(1. 4)

Analogamente

11

(1. 5)

Se for considerada a corrente de fuga da junção de Coletor, denominada ICO, a

expressão de IC será acrescida esta parcela:

I’C = IC + ICO (1. 6)

Esta pequena corrente de fuga não poderá ser desprezada se o transistor for

submetido a grandes variações de temperatura, porque ICO dobra de valor a cada 10ºC de

acréscimos de temperatura.

84

Conclui-se que:

IB + IC = IE IC (1. 7)

Portanto quando IC >> IB devido ao pequeno comprimento da base e a maior

densidade de portadores majoritários no emissor. 98% a 99% das lacunas do emissor vão

para o coletor. Logo 1 a 2% dos portadores majoritários do emissor forma a corrente de

base.

podemos escrever:

1E

B

II (3. 68)

ou ainda usando (3. 66) em (3. 79) temos que:

CBC III

(3. 69)

Logo

1B

C

II

(3. 70)

temos que

1

(3. 71)

Portanto para = 0,98 a 0,99, temos:

p/ = 0,99 = 99 (3. 72)

p/ = 0,98 = 49. (3. 73)

Ou seja, o ganho de corrente base-coletor é grande para uma taxa de recombinação fixa.

Isto é obtido desde que se tenha uma corrente de emissor, IE, considerável. Por exemplo,

para IE < 1mA temos uma grande variação de . Portanto, é bem possível que a lacuna que

chegar na base se recombine na base, ou se não, passa para o coletor. Logo se as oscilações

85

de tensão são introduzidas entre o emissor e a base, elas se reproduzirão de forma

amplificada entre o coletor e o emissor gerando assim o efeito transistor. Para que isto

aconteça as características físicas do transistor devem ser:

IC >> IB (3. 74)

i) base estreita (ou fina). Devido ao pequeno comprimento da base em relação ao emissor

ii) a dopagem do emissor deve ser alta para que haja uma maior densidade volumétrica de

portadores majoritários neste emissor, lacunas ou buracos no caos do transistor PNP e

elétrons no caso do transistor NPN, iii) O coletor deve ser grande em relação a base de tal

forma que as potências dissipadas, PCB >> PBE

A taxa de recombinação (é fixa) desde que se tenha um IE considerável. Para IE

< 1mA temos uma grande variação no . Portanto e bem possível que a lacuna que passar

se recombine na base se passar para o coletor.

3.13.6 - Potências dissipadas:

PBE = VBE.IE (3. 75)

e

PCB = VCB.IC, (3. 76)

onde a potência de saída é muito mais alta.

PCB >> PBE. (3. 77)

86

Figura - 3. 73.

VALORES TÍPICOS DE TENSÃO NO TRANSISTOR

TRANSIÇÃO ATIVA SATURAÇÃO CORTE VBET VBEA VBESat VCESat VBECorte VCECor

te Si 0,5 0,6 0,7 0,3 0,0 Ge 0,1 0,2 0,3 0,1 -0,1

Nomenclatura dos Semicondutores Nacionais RSxZW

1º Letra A = Germânio B = Silício O = Vávulas sem pré-aquecimento

2º Letra A = Diodo B = Varicap C = Transistor de baixa Potência D = Transistor de Potênca F = Transisotr de RF U = Transistor de Potência para computação Y = Diodo retificador Z = Diodo Zener

3º, 4º e 5º Letras

Indicativos de série 3 algarismos = semicondutores para uso geral em Rádio e Televisão 1 Letra e 2 algarismos = semicondutores para equipamentos industriais e profissionais

87

USO e Ligações - Invólucro TIPO Métalico Plástico Exemplos Áudio NPN Baixa Potência

BC - 107 BC - 108 BC - 109

BC - 147 BC - 148 BC - 149

BC - 237 BC - 238 BC - 239

BC - 547 BC - 548 BC – 549

Áudio PNP Baixa Potência

BC - 157 BC - 158 BC - 159

BC - 177 BC - 178 BC - 179

BC - 307 BC - 308 BC - 309

BC - 557 BC - 558 BC -559

RF NPN Baixa Potência

BF - 184 BF - 185

BF - 194 BF - 195

BF - 254 BF - 255

BF - 494 BF – 495

Áudio NPN Média Potência

AC 187

Áudio PNP Média Potência

AC 188

Áudio PNP Potência AD 149

Áudio NPN Potência

AD 148 2N 3055

Áudio NPN PNP Média Potência

BD 135 BD 136

88

3. 20 – Tipos de Montagens ou Configurações Básicas do Transistor Bipolar

Existem três formas de montagens básicas para que um transistor possa

funcionar como amplificador de tensão, corrente e de potência, conforme a função desejada

o transistor pode ser montado de três maneiras diferentes, válidas tanto para o transistor

NPN, como o PNP, os quais veremos a seguir.

Os circuitos amplificados com transistor pode ser montados nas seguintes

configurações: 1) Base comum; 2) Emissor comum; 3) Coletor comum;

a) Montagem ou Configuração Base-Comum (Amplificador de Tensão)

Nesta montagem, a Base é usada como ponto comum de referência, ou seja,

está ligada de forma comum à entrada e à saída. O sinal de entrada é aplicado entre o

Emissor e a Base, aparecendo o sinal de saída entre o Coletor e a Base. Esta configuração é

usada apenas em aplicações de altas freqüências. Os terminais de referência são o Emissor

e o |Coletor.

Figura - 3. 74

89

Figura - 3. 75. Configuração Base-Comum, com resistências R1 e R2 para limitar a corrente, afim de não danificar o Transistor.

O circuito Base Comum apresenta amplificação ou ganho de tensão grande e

ganho em corrente aproximadamente unitário, menor que 1 (um), conseqüentemente, o

ganho em potência assume valor médio, entre 20 e 30dB.

)(1 correntedeganhoII

GS

EI (1. 8)

A resistência de entrada, nesta montagem, é pequena da ordem de 50, pois a

junção Emissor-Base está polarizada diretamente. Como a saída (Coletor-Base) está

polarizada reversamente, a resistência de saída é grande, da ordem de 50K. O sinal de

saída está em fase com o sinal de entrada.

b) Montagem ou Configuração Emissor-Comum (Amplificador de Potência)

A montagem Emissor-Comum tem o Emissor como terminal comum de

referência; o sinal de entrada é aplicado entre a base e o Emissor e o sinal de saída é obtido

entre o Coletor e o Emissor.

Aqui o sinal controlado é a corrente de Base. Esta baixa corrente de Base é

usada para controlar uma alta corrente de Coletor, o que faz desta montagem um

amplificador de corrente, com ganho em corrente grande. Um sinal de tensão na entrada do

circuito Emissor Comum ou se soma ou se opõe à polarização da Base, fazendo aumentar

ou diminuir a corrente de Base, de Emissor e de Coletor. O efeito é, pois, amplificação de

tensão e o circuito apresentam ganho de tensão grande. Em conseqüência, o ganho em

potência é ainda muito maior, da ordem de 40 a 50 dB.

1 ; 1 1V I PG G G (3. 78)

90

IG : ganho de corrente; VG : ganho de tensão; PG : ganho de potência

As resistências de entrada re saída alcançam valores médios (aproximadamente

1K na entrada e 55K na saída). O sinal da Base (entrada) para o Coletor (saída) se

defasa em 180º, ou seja, a uma entrada positiva correspondente uma sida negativa e vice-

versa.

Figura - 3. 76

De uma forma apropriada a configuração de Emissor-Comum pode ser

estabelecida conforme mostra a Figura - 3. 77, onde o terra fica no ponto comum do

circuito. Referência 0 Volts

Figura - 3. 77. Configuração Emissor-Comum, com resitências R1 e R2 para limitar a corrente, afim de não danificar o Transistor.

Funcionamento:

Esta configuração funciona da seguinte forma:

Consideremos aqui o transistor PNP onde o sentido adotado para as correntes é

o sentido convencional, isto é, do pólo positivo para o pólo negativo e supondo portanto

que são as lacunas (ou buracos) que se movem formando uma “correntes de lacunas”.

Quando essas lacunas provenientes do emissor se dirigem para a base, elas entram na base e

91

uma parte delas se recombina na própria base e uma outra parte vai para o terminal da base.

O restante daquelas que não se recombinam formam um saldo de corrente, chamado de

corrente de base, IB.

Ao chegarem na base elas atingem a camada de depleção formada entre a base

e o coletor e portanto são aceleradas para o coletor, formando a corrente de coletor, IC. Isto

acontece porque a tensão V2 no coletor é muito maior do que V1 a tensão na base (V2 >>

V1). Logo para que a corrente de coletor, IC, seja muito maior do que a corrente de base, IB,

(IC >> IB), a base tem que ser muito fina em relação as junções do emissor e do coletor,

conforme mostra a Figura - 3. 78, para que haja uma maior densidade de portadores

majoritários (buracos) no emissor.

Figura - 3. 78.

“Correntes” de lacunas

1º) Entra na base e vai para o terminal da base. ( recombina-se no terminal) IB

2º) Recombina-se na base

3º) Atinge a camada de depleção e é aí acelerada para o coletor IC

92

V2 >> V1 (3. 79)

Para IC >> IB a base tem que ser muito fina em relação as junções de coletor e emissor.

c) Montagem ou Configuração Coletor-Comum: Seguidor Emissor (Amplificador de Corrente)

O circuito o Transistor nesta montagem, está ligado de maneira que o Coletor é

ponto comum de referência, porque o sinal de entrada é aplicado entre a Base e o Coletor, e

a saída se obtém entre o Emissor e o Coletor.

A corrente de Emissor (saída) é muito maior que a corrente de Base (entrada) e

portanto, há amplificação de corrente 1IG . Entretanto, a tensão de saída é ligeiramente

menor que a tensão de entrada, não havendo amplificação de tensão; a tensão de saída tende

a seguir a tensão de entrada, pelo que esta montagem é chamada de “Seguidor de Emissor”.

Amplifica apenas corrente enquanto que o ganho de tensão Av = 1.

1 ; 1 1V I PG G G (3. 80)

IG : ganho de corrente; VG : ganho de tensão; PG : ganho de potência

Por ser polarização reversa na entrada e direta na saída, a resistência de entrada

é grande e a de saída é pequena.

Figura - 3. 79

93

Figura - 3. 80. Configuração Coletor-Comum, com resitências R1 e R2 para limitar a corrente, afim de não danificar o Transistor.

Figura - 3. 81. Montagem Coletor Comum ou Seguidor de Emissor

O ganho em Potência é pequeno, entre 10 e 20dB, e é devido apenas á

amplificação de corrente.

94

3. 21 – Transistor de Junção em Baixas Freqüências – Modelo Híbrido

Para o estudo do transistor como amplificador é necessário criar um modelo

que mostre a configuração interna, de modo que suas características de entrada e saída

sejam justificadas matematicamente.

Figura - 3. 82. Curva característica de entrada do Transistor

Figura - 3. 83. Curva característica de saída do Transistor

Analisando os gráficos das curvas características, constatamos que a queda de

tensão entre a Base e o Emissor é uma função da corrente de Base e do valor da queda de

tensão entre o Coletor e o Emissor é dado por:

95

,BE B CEV f I V (3. 81)

A corrente de Coletor varia em função dos valores da corrente de Base e da

tensão Coletor-Emissor

,C B CEI f I V (3. 82)

Mesmo não sendo conhecidas as expressões destas funções, podemos escrever

as correspondentes igualdades para variações apenas, usando-se coeficientes de

proporcionalidade:

11 12

21 22

BE B CE

C B CE

V h i h VI h i h V

(3. 83)

As letras minúsculas indicam grandezas variáveis. Os coeficientes ijh são

parâmetros híbridos.

As equações mostram que o transistor pode ser representado por um dispositivo

de quatro pólos, dois de entrada e dois de saída, ou seja, um dispositivo ativo de “duas

portas”.

11 12

21 22

BE B CE

C B CE

V h i h VI h i h V

Figura - 3. 84.

Seguindo um modelo genérico, válido para qualquer dispositivo de duas

entradas e duas saídas, portanto, um modelo genérico para o transistor em qualquer

montagem, designaremos as correntes por 1 2,i i e as tensões por 1 2,v v .

96

Figura - 3. 85. Sistema com entrada e saída

Escolhendo as variáveis 2 1,i v , podemos escrever:

1 11 1 12 2

2 21 1 22 2

v h i h vi h i h v

(3. 84)

Os parâmetros ijh , são assim definidos:

2 2

1 1

1 211 21

1 10 0

2 212 22

1 20 0

v v

i i

v ih hi i

v ih hv v

(3. 85)

11h representa a relação entre a tensão de entrada e a corrente de entrada,

quando a saída é curto-circuitada 2 0v . Portanto, este parâmetro tem dimensão de

resistência e representa a resistência de entrada com a saída em curto-circuito.

12h representa a relação entre a tensão de saída e a tensão de entrada, quando a

entrada está em circuito aberto 1 0i . Portanto, este parâmetro não tem dimensão física e

representa o fator de amplificação de tensão reversa com a entrada em aberto.

21h representa a relação entre a corrente de saída e a corrente de entrada,

quando a saída é curto-circuitada 2 0v . Portanto, este parâmetro não tem dimensão

física e representa o fator de amplificação de amplificação de corrente com a saída em

curto-circuito.

22h representa a relação entre a corrente de saída e a tensão de entrada, quando

a entrada está em aberto 1 0i . Portanto, este parâmetro tem dimensão de condutância

97

(inverso da resistência) e representa a condutância de saída com a entrada em circuito

aberto.

Os índices 11,12,21,22 são subscritos respectivamente com as letras:

“i” (input = entrada)

“r” (reverse transfer = transferência reversa, da entrada para a saída)

“f” (foward transfer = transferência direta, de saída para a entrada)

“o” (output = saída)

Estes índices serão seguidos da letra “e” se o circuito for de configuração

Emisor comum; letra “b” se for Base comum; letra “c” se for Coletor comum.

Temos assim, para um circuito:

Emissor comum: , , ,ie re fe oeh h h h

Base comum: , , ,ib rb fb obh h h h

Coletor comum: , , ,ic rc fc och h h h

Desta forma, para a configuração Emissor comum, as equações correspondentes

são:

1 1 2

2 1 2

ie re BE ie B re CE

fe oe C fe B oe CE

v h i h v ou v h i h vi h i h v ou i h i h v

(3. 86)

O significado físico destas expressões pode ser mostrado pelo circuito abaixo

que é um modelo para o transistor com parâmetros híbridos.

Figura - 3. 86. Sistema com entrada e saída

Estes parâmetros híbridos podem ainda ser determinados diretamente das

equações tensão-corrente, consideradas para variações do sinal. O desenvolvimento será

98

feito aqui para a configuração Emissor-Comum. As expressões das demais configurações

são análogas.

Sabendo que a tensão Base-Emissor e a corrente de Coletor são funções da

corrente de Base e da tensão Coletor-Emissor, podemos obter as expressões dessas

variáveis a partir das derivadas parciais em relação à tensão Coletor-Emissor e à corrente de

Base.

),( CEBBE VifV (3. 87)

CECE

BB

BE VVfi

ifV

11 (3. 88)

CECE

BEB

B

BEBE V

VVi

iVV

(3. 89)

Portanto,

CEreBieBE VhihV (3. 90)

e

),(2 CEBC Vifi (3. 91)

CECE

BB

C VVfi

ifi

22 (3. 92)

CECE

cB

B

cC V

Vii

iii

(3. 93)

Portanto,

99

CEoeBfeBE VhihV (3. 94)

sefee

sfe iih

iih (3. 95)

Resumindo temos:

cteVB

BE

VB

BEie

CECEi

Vi

Vh

0

(3. 96)

cteiB

BE

iCE

BEre

BBi

VVVh

0

(3. 97)

e

cteVB

C

VB

Cfe

e

sfe

CECEii

iih

iih

0

(3. 98)

cteiB

C

iB

Coe

CE

Coe

BBii

iih

Vih

0

(3. 99)

CEoeBfeC Vhihi (3. 100)

EC: feh e tT

dtdf

100

Circuito Esquema Modelo Híbrido Equações

Tensão Corrente

(V-I)

CONFIGURAÇÃO BASE-COMUM

BE ie B re CE

C fe B oe CE

v h i h vi h i h v

CONFIGURAÇÃO EMISSOR-COMUM

BC ic B rc CE

E fc B oc CE

v h i h vi h i h v

CONFIGURAÇÃO COLETOR-COMUM

BE ib B rb CE

C fb B ob CE

v h i h vi h i h v

Valores comparativos entre os parâmetros

Emissor-Comum Coletor-Comum Base-Comum

11h ih 1,1K 1,1K 21,6K

12h rh 42,5 10 1 42,9 10

21h fh 50 -51 0,98

22h oh 140K 140K 12,04M

101

O Transistor de Efeito de Campo - FET

O transistor de efeito de campo (Field Effect Transistor - FET) possui uma

montagem diferente do transistor do transistor de junção. O Emissor é substituído pelo

Dreno (Drain), a bate é substituído pelo Porta (Gate) e o Coletor é substituído pela Fonte ou

Supriouro (Source). Sua montagem física está mostrada na Figura - 3. 87.

Figura - 3. 87. Transistor de Efeito de Campo (FET)

FET de Junção = JFET

FET de Gate Isolado – IGFET=MOSFET

MOS = metal Oxide Silicon

Os símbolos desses transistor são mostrados na Figura - 3. 88

Figura - 3. 88. Símbolos dos Transistores de Efeito de Campo (FET) a) JFET canal N; b) JFET canal P; c) FET canal N; d) FET canal P.

102

Figura - 3. 89. Símbolos dos Transistores de Efeito de Campo (MOSFET) a) MOSFET canal N; b) MOSFET canal P.

O MOSFET como amplificador Análise gráfica Como os MOSFETs são bem caracterizados por equações, raramente é necessário aplicar

técnicas gráficas na análise de circuitos com FET. Todavia, é ilustrativo iniciar o estudo de

amplificadores usando FET com a análise gráfica do circuito amplificador conceitual com

MOS mostrado na figura 1.

(a)

t (b)

Figura - 3. 90.

103

O MOSFET tipo crescimento canal n é mostrado polarizado com uma bateria

VGS, um arranjo claramente impraticável, mas que é útil para o presente propósito.

Sobreposto à tensão cc de polarização da porta VGS, está um sinal que varia com o tempo

vgs que desejamos amplificar; logo, a tensão instantânea total porta-fonte é:

(3. 101)

VGS = VGS + vgs (1) Em qualquer instante o ponto de operação será localizado sobre a curva iD – vDS

correspondendo a um valor específico de vGS. Em que ponto ele estará sobre aquela curva

será determinado por VDD e RD a partir de

(3. 102)

VDS = VDD - RDiD (2) que pode se reescrita como:

(3. 103)

iD = DSDD

DD vRR

V 1 (3)

Essa é uma equação linear nas variáveis iD e vDS e pode ser representada por

uma linha reta no plano iD – vDS. Essa linha intercepta o eixo vDS em VDD e tem uma

inclinação igual a –1/RD. Como RD representa a resistência de carga do amplificador, a

linha reta representando a equação (3) é chamada de reta de carga. O ponto de operação

instantâneo do MOSFET estará na interseção da reta de carga e a curva iD – vDS

correspondendo aos valores instantâneos de vGS. As coordenadas do ponto de operação são

os valores instantâneos de iD e vDS.

Para tornar nossa análise mais concreta, vamos usar valores numéricos. O

MOSFET é especificamente suposto como tendo uma tensão de limiar Vt = 2V e um

parâmetro de condutância K = 1 mA/V2. Conforme indicado na figura 1(a), o transistor

está polarizado com VGS = 5V e seu dreno está conectado a uma alimentação positiva VDD

= 20V através de uma resistência RD = 1,33k. O sinal a ser amplificado tem uma forma de

onda triangular com 1V de pico a pico de amplitude. A figura 1(b) mostra as características

iD – vDS do MOSFET junto com a reta de carga correspondendo a RD = 1,33k. Na

ausência do sinal de entrada vgs, o MOSFET irá operar no ponto denominado por Q, que é a

104

enterseção da curva para vGS = 5V e a reta de carga. Esse é o ponto de polarização cc, ponto

de operação cc ou ponto quiescente, como é às vezes chamado. As coordenadas de Q

determinam a corrente de dreno cc, ID = 9mA, e a tensão de dreno cc, VDS = 8V.

Quando o sinal vgs com forma de onda triangular for aplicado, o ponto de

operação se moverá ao longo da reta de carga em correspondência com a tensão instantânea

total vGS. Isso está mostrado na figura 1(b), na qual observamos que, por exemplo, no pico

positivo do sinal de entrada, vgs = 0,5V, vGS = 5 + 0,5V, a corrente de dreno correspondente

é de 12,25mA e a tensão de dreno correspondente é de 3,7V. Isso implica que a corrente de

dreno instantânea total iD e a tensão de dreno instantânea total vDS podem ser determinadas

do mesmo modo, ponto a ponto. A figura 1(b) mostra as formas de onda resultantes.

Observamos que, sobreposta à triangular. Além disso, sobreposta à tensão cc, vDS, obtemos

um componente do sinal da tensão de saída e, exceto pela inversão de fase, é uma réplica

amplificada do sinal de entrada: ela tem uma amplitude de pico a pico de cerca de 8V, e

portanto o ganho do amplificador é de –8V/V.

No exemplo acima estávamos em condições de obter uma amplificação quase

linear a partir de um MOSFET não-linear pela escolha apropriada do ponto Q de

polarização cc e por manter o sinal de entrada com uma amplitude pequena. Porém é

importante observar que o ponto de operação instantâneo foi confinado à região de

saturação. Isso é feito de modo que o MOSFET opere como uma fonte de corrente cujo

valor é controlado por vgs. Se fosse permitido ao ponto de operação instantâneo sair da

região de saturação, o FET não operaria mais como uma fonte de corrente controlada linear

e poderia resultar numa forte distorção não-linear. Isso está ilustrado na figura 1(c), onde o

MOSFET ainda está polarizado com VGS = 5V mas agora está sendo usada uma resistência

de carga de RD = 1,78 k. Como resultado do uso desse valor baixo de resistência de carga,

o ponto de operação instantâneo entra na região de triodo durante mais da metade do valor

positivo de vgs. Conforme pode ser visto, o componente do sinal iD e o sinal de tensão na

saída vds são fortemente distorcidos.

Para o FET operar como amplificador linear ele precisa estar polarizado com

um ponto no centro da região de saturação, o ponto de operação instantâneo deve estar o

tempo todo confinado na região de saturação e o sinal de entrada deve ser mantido

suficientemente pequeno.

105

Análise algébrica A seguir apresentamos uma análise algébrica do circuito amplificador conceitual da figura

1(a). Com o sinal de entrada vgs ajustado para zero, obtemos para a corrente cc de dreno ID

e para a tensão cc de dreno VDS (ou simplesmente VD visto que a fonte está aterrada) as

relações:

(3. 104)

ID = K VGS – vT)2 (4)

(3. 105)

VD = VDD – RDID (5)

onde desprezamos o efeito da modulação do comprimento do canal. Com o sinal vgs sobreposto a VGS, a tensão instantânea total porta-fonte vGS é dada por:

(3. 106)

vGS = VGS + vgs (6)

Correspondentemente, a corrente instantânea total iD será:

(3. 107)

iD = k(Vgs –Vt)2

(3. 108)

iD = K(VGS +vgs –Vt)2

(3. 109)

iD = KVGS –Vt)2 + 2K(VGS – Vt)vgs + Kv2gs

(7)

O primeiro termo da lado direito da equação (7) pose ser reconhecido como a

corrente cc ou corrente quiescente ID. O segundo termo representa um componente de

corrente que é diretamente proporcional ao sinal de entrada vgs. O último termo é um

componente de corrente que é proporcional ao quadrado do sinal de entrada. Esse último

componente é indesejável porque ele representa a distorção linear. Para reduzir a distorção

linear introduzida pelo MOSFET, o sinal de entrada deve ser mantido pequeno,

106

(3. 110)

Vgs << 2(VGS – Vt) (8) Se essa condição de pequeno sinal for satisfeita, podemos desprezar o último termo na

equação (7) e expressar iD por:

(3. 111)

iD = ID + id (9) onde o sinal da corrente id é dado por:

(3. 112)

id = 2K (VGS –Vt)vgs

A constante da relação id por vgs é a transcondutância gm,

(3. 113)

gm = 2K VGS – Vt) (10)

A figura 2 apresenta uma interpretação gráfica da operação em pequeno sinal do

amplificador com MOSFET de crescimento. Observe que gm é igual à inclinação da

característica iD – vGS no ponto de operação:

(3. 114)

gm = GS

D

vi

para vGS = VGS

Separando a análise cc e a análise de sinal Da análise anterior vimos que com a aproximação para pequeno sinal, os

valores do sinal são sobrepostos aos valores cc. Por exemplo, a corrente de dreno total iD é

igual à corrente cc ID mais a corrente do sinal id, a tensão de dreno total vD = VD + vd etc.

Isso significa que a análise e o projeto podem ser muito simplificados pela separação dos

cálculos da polarização cc dos cálculos do pequeno sinal. Isto é, uma vez que um ponto de

operação estável cc tenha sido estabelecido e todos os valores cc calculados, podemos então

executar a análise do sinal ignorando os valores cc.

107

3. 22 - Introdução aos Tiristores, SCR, TRIAC

São os componentes básicos da Eletrônica Industrial, chaveando grandes

cargas, como motores, eletroímãs, aquecedores, convertendo CA em CC, CC em CA e

gerando pulsos de controle para outros tiristores.

Trava ideal a transistores

A estrutura semicondutora comum (com variações) dos tiristores é PNPN. A

trava ideal é um circuito que permite compreender o funcionamento dos tiristores.

Figura - 3. 91.

Funcionamento

No circuito, a base do transistor NPN é alimentada pelo coletor do PNP, e vice-

versa. Não há inicialmente corrente de coletor alimentando o outro transistor, e ambos estão

no corte.

Figura - 3. 92.

108

Mas se aplicarmos um pulso positivo na base do NPN, ou negativo na do PNP, o transistor

será ativado, fornecendo uma corrente amplificada na base do outro, que amplificará esta

corrente fornecendo uma corrente ainda maior à base do transistor que recebeu o pulso. O

processo leva rapidamente os transistores à saturação, fornecendo corrente somente

limitada pela carga, o resistor. Uma vez disparada, a trava só se desliga quando a corrente

for limitada a um valor a um valor mínimo, corrente de manutenção, que não permite

manter os transistores na saturação. Isto pode ser conseguido desligando o circuito, ou

curto-circuitando os emissores. A trava também pode ser disparada por avalanche,

aplicando-se uma sobre tensão entre os emissores, que inicia a ruptura em um dos

transistores, alimentando a base do outro, o que leva à saturação como no caso do pulso,

anterior.

SCR:

É o principal dos tiristores, pelo número de aplicações. A sigla significa

retificador controlado de silício (Sillicon Controlled Rectificier). Ele é um diodo controlado

por pulso, aplicado no gatilho (gate). Sua estrutura PNPN é igual à da trava ideal, sendo o

pulso positivo aplicado no terminal que corresponde à base do transistor NPN, o gatilho. O

emissor do PNP é o anodo e o do NPN, o catodo do diodo.

Figura - 3. 93. Trava ideal e estrutura

109

Figura - 3. 94. Curva característica do SCR

Figura - 3. 95. Curva característica do SCR

110

Figura - 3. 96. Tiristor SCR usado como Chave CC em um circuito

Figura - 3. 97. Tiristor SCR usado como Chave CA em um circuito

Figura - 3. 98. Tiristor SCR usado como controlador de fase de 0º a 180º .

111

SCS:

É um tiristor semelhante ao SCR, mas com dois terminais de disparo,

correspondentes às bases dos transistores da trava ideal, gatilho de anodo, Ga, e g. de

catodo, Gc, permitindo disparo por pulsos negativo ou positivo, respectivamente. Não é

muito comum, sendo geralmente de baixa potência. A sigla significa chave controlada de

silício (S de Switch).

Diodo de quatro camadas:

É um tiristor de avalanche, sendo disparado com tensões de algumas dezenas de V. Seu

dois terminais são o catodo e o anodo, não há gatilho. É usado em geradores de pulso de

disparo de SCR e osciladores dente-de-serra.

GTO:

Todos os tiristores só se desligam quando a corrente cai abaixo da corrente de

manutenção, o que exige circuitos especiais de desligamento em certos casos. O GTO

permite o desligamento pelo gatilho, por pulso negativo de alta corrente, daí o nome (Gate

Turn Off, desligamento pelo gatilho). Estruturalmente, é similar ao SCR, mas a dopagem e

a geometria da camada do gatilho permitem minimizar o sobre aquecimento no

desligamento (que destruiria um SCR). O desligamento é feito em geral através de descarga

de um capacitor.

Foto-SCR:

Se expusermos a junção NP central da trava ideal à luz, através de uma janela e

lente, esta se comportará como um fotodiodo, fornecendo uma corrente de base ao

transistor NPN, e disparando o SCR. Isto permite isolar o circuito de disparo, feito por um

LED, do circuito de potência.

DIAC:

Pode ser entendido como dois diodos Schokley em antiparalelo. O seu disparo

ocorre quando se atinge a tensão de bloqueio em qualquer sentido, da ordem de 25 a 40 V.

É usado em geral para disparar o TRIAC, em circuitos de controle de tensão CA por ângulo

112

de disparo. Sua estrutura é PNP, e funciona como um transistor cuja base só é alimentada

quando se atinge a tensão de ruptura, o que leva à saturação, caindo a tensão nos terminais

para uns 0.2 V.

TRIAC:

É o equivalente ao SCR, para operação em CA. A sua estrutura é a mais

complexa entre os tiristores, contendo diversas regiões PNPN que atuam como travas ideais

interligadas, o que permite que o disparo seja feito com tensão + ou -, e a polarização entre

terminais principais 1 e 2 (análogos ao K e A do SCR) + ou - , o que é chamado operação

em 4 quadrantes. A corrente de disparo é menor no quadrante 1 (gatilho e terminal

principal 2 - MT2 - positivos em relação ao terminal principal 1- MT1) e maior no

quadrante 4, (G + e MT2 -). O TRIAC seria mais comum em aplicações CA se não fosse

menos robusto e sensível (exige bem maior corrente de disparo), além de mais caro que 2

SCR’s ou GTO’s em antiparalelo de grandes correntes. É usado em controle de lâmpadas e

motores universais, e chaveamento de cargas até uns 50A.

Disparo dos tiristores

Os tiristores podem ser disparados de diversos modos: através de pulso, por

ângulo de fase em CA e por CC. O disparo por CC é usado em chaveamento de cargas por

longos períodos, como lâmpadas, calefatores, eletroímãs e motores, em sistemas de

controle tipo liga-desliga e por ciclos. Nestes casos manter a alimentação de gatilho, apesar

do consumo de energia desnecessário e o aquecimento da junção, simplifica o circuito de

comando. O disparo por ângulo de fase é típico de controle de luminosidade de lâmpadas

em CA (dimmer), e de velocidade de motores universais ou de CC. Nestes, a cada ciclo da

tensão CA de alimentação, é gerada uma tensão defasada por uma ou duas redes de atraso

RC, e quando a tensão atingir a tensão necessária ao disparo do SCR ou TRIAC (mais a do

DIAC, se estiver em série), num dado ângulo de fase, o tiristor é disparado. O processo se

repete a cada ciclo (ou sericícola, em onda completa), e variando o valor do(s) resistor(es),

varria-se a porção do ciclo em que é alimentada a carga (ângulo de condução do tiristor),

variando a tensão média e eficaz, e a potência na carga. O disparo por pulsos é o mais

sofisticado e preciso, e o mais empregado. Usa um gerador de pulsos, freqüentemente com

113

transistor unijunção, UJT, que é outro tiristor, constituído de uma barra de material N, com

uma porção lateral tipo P próxima do centro. A região P é o emissor, E, e os extremos da

barra as bases 1 e 2, B1 e B2. estrutura do UJT símbolo

Funcionamento do UJT

O UJT atua como uma trava ideal com a base do PNP polarizada por um divisor

de tensão, que é o efeito da barra N dividida pela região P. Quando a tensão no emissor for

0.6 V acima da tensão fornecida pelo divisor, o PNP é ativado, que polariza o NPN,

disparando a trava. Quando a corrente cair abaixo do valor de manutenção, a trava se

desliga.

Circuito equivalente Gerador de pulsos

O UJT é usado como gerador de pulsos, conforme o circuito à direita. O

capacitor se carrega através do resistor e quando a tensão no E do UJT ultrapassa a tensão

de disparo do UJT, fornecida pel0a fonte e resistores, ele se dispara, descarregando o

capacitor e fornecendo um pulso curto ao resistor de carga, ligado à B1. O valor da tensão

de disparo está entre 0.55 e 0.8 vezes a tensão de alimentação, conforme o UJT. O período

114

dos pulsos é próximo de T = RC e a freqüência de f = 1 / RC, o resistor e o capacitor

ligados ao emissor, variando um pouco com o UJT.

3. 23 - Exercícios e Problemas

1) O que é um cristal tipo p, e um tipo n?

2) Quais os principais elementos químicos usados como semicondutores ?

3) O que é um diodo e como funciona polarizado diretamente e reversamente? Como é sua

curva característica

4) Explique como funciona um retificador de meia corrente, então complete e tipo

ponte(faça desenhos e mostre os sentidos da corrente)

5) O que é um transistor e qual é sua utilidade?

6) Como funciona o efeito transistor?

7) Quais são as três principais configurações que podem ser associadas num transistor e

onde elas se aplicam (vantagem e desvantagem)?

8) Como funciona um amplificador?

9) Detalhe o cálculo matemático da ponte de operação de um transistor no circuito abaixo

10) O que são os seguintes dispositivos e para que servem a) Tiristores; b) SCR; c)TRIAC

115

3. 24 - Referências Bibliográficas

116

117

Capítulo – IV

A TEORIA DOS CIRCUITOS ELETRÔNICOS

RESUMO

4. 1 – Objetivos do Capítulo

118

4. 2 - Introdução

119

4. 3 – Determinação do ponto de operação de polarização do Transistor

A determinação da curva característica de saída é feita para cada tipo de

polarização, por exemplo, para o transistor na montagem Emissor-Comum, a corrente de

Base é mantida fixa enquanto que a corrente de coletor varia em função da tensão Emissor-

Coletor, VCE. Para um outro valor de IB, a curva VCE x IC será diferente, e assim obtém-se

uma família de curvas.

4.3.1 - Características do transistor

Base fixa; Dopagem do emissor alta; Coletor grande. Três importantes regiões

são definidas observando-se as limitações de:

- Tensão inversa máxima Base-Emissor

- Corrente máxima Coletor-Emissor

- Tensão máxima Coletor-Base

- Potência máxima

- Temperatura máxima

Figura - 4. 1. Reta de carga da configuração Emissor-Comum

120

A região de trabalho, também conhecida como região ativa ou linear,

compreende uma região na qual o transistor trabalho sem distorções. Dentro dessa região

devam ficar a reta de carga e o ponto de operação.

Figura - 4. 2

Figura - 4. 3

Saturação – Duas junções polarizadas diretamente. Polarização direta por

junções de Emissor e Coletor.

121

elevadaIeVVGrandeI

II

SATURAÇÃO

CCECE

B

C

E

min

~0

(4. 1)

A região de saturação introduz distorção no sinal de entrada, pelo ceifamento

dos semiciclos negativos na saída, e isso ocorre para uma polarização com baixos valores

de VCE, menores que VCEmin, chamado tensão de saturação, VSAT.

Corte – Polarização reversa para duas junções. Polarização reversa da junção do

Emissor

COCB

COC

E

IIIII

ICORTE

0 (4. 2)

Valores elevados de VCE VCE VCC, IE = 0 e IC = ICO

Quando a distorção sofrida pelo sinal de entrada corresponde a um ceifamento

dos semiciclos positivos, a polarização é feita na região de corte e corresponde a valores

altos de VCE.

Figura - 4. 4

122

4. 4 – Circuitos Básicos de Polarização do Transistor

4.4.1 - Circuitos com Transistor

Os equipamentos ou circuitos eletrônicos podem ser entendidos como sistemas

que realizam uma operação através de uma entrada e uma saída, conforme mostra a Figura -

4. 5. Neste caso os transistores podem exercer diferentes aplicações em sistemas elétricos

que transformam um sinal elétrico de entrada, fornecendo um sinal modificado em uma

saída.

Figura - 4. 5. Sistema com entrada e saída

O transistor pode ser utilizado em circuitos amplificadores de sinal elétrico,

chaveadores, osciladores, etc., conforme veremos a seguir

4.4.2 - Polarização Simples – na Montagem Emissor-Comum

Considere a curva característica do transistor dada pelo gráfico de CI versus

CEV mostrada na Figura - 4. 6.

123

Figura - 4. 6. Curva característica de um transistor

cuja montagem é mostrada na Figura - 4. 7

Figura - 4. 7

Para encontrar o ponto Q de operação devemos equacionar a malha de saída da

seguinte forma:

CC CE RCV V V (4. 3)

Logo

CC CE C CV V R I (4. 4)

124

Portanto,

CC CEC

C

V VI

R

(4. 5)

Nesta equação nós temos duas incógnitas CI e CEV . A solução deste impasse é

impor valores extremos para CEV e CI , da seguinte forma:

Se

0 CCCE C

C

VV IR

(4. 6)

que corresponderá ao ponto superior da reta de carga no gráfico da Figura - 4. 8

Se

0C CE CCI V V (4. 7)

que corresponderá ao ponto inferior da reta de carga no gráfico da Figura - 4. 8.

Figura - 4. 8

Logo ligando os pontos extremos obtemos a reta de carga e sua intersecção com

a curva de trabalho do transistor, permite nos obter o ponto Q (quiescente, central) de

operação do transistor, conforme mostra o gráfico da Figura - 4. 8.

125

Para o cálculo da região de potência de trabalho, ,Q CQ CEQP f I V que uma

função das coordenadas do ponto Q, ou seja, da corrente CQI e da tensão CEQV , temos:

CCE

PIV

(4. 8)

sendo P cte temos que:

minmax

CEC

PVI

(4. 9)

e

maxmin

CEC

PVI

(4. 10)

Logo teremos no gráfico da Figura - 4. 9 a seguinte curva:

Figura - 4. 9.

126

4.4.3 - Exemplos de Cálculo de Polarização do Transistor

1a) Calcule BR e CR no circuito amplificador a corrente de base constante, para um

transistor com 100 e 0,7BEV V , 10CQI mA , 1 5CCV V e 2 10CCV V .

Figura - 4. 10. Polarização básica de um transistor com corrente de base constante na Montagem Emissor-Comum

Pela Lei de Kirchoff para a Malha de saída temos:

2 0CC RC CEV V V (4. 11)

Sabendo que

RC C CV R I (4. 12)

Temos:

2 0CC C C CEV R I V (4. 13)

Logo

2CC CEC

C

V VRI

(4. 14)

Usando o fato de que

127

2

2CC

CEQVV (4. 15)

Substituindo os valores temos:

3

10 5 50010.10C C

V VR RA

(4. 16)

Pela Lei de Kirchoff para a Malha de entrada temos:

1 0CC BC BEV V V (4. 17)

Sabendo que

RB B BV R I (4. 18)

Temos:

1 0CC B B BEV R I V (4. 19)

Logo

CC BEB

B

V VRI

(4. 20)

Usando o fato de que

24100,7 10

100C

BE B BI AV V e I I A

(4. 21)

Substituindo os valores temos:

4 4

5 0,7 4,3 4310 10B B

V V VR R kA A

(4. 22)

128

1b) Repita os cálculos para o mesmo circuito com um resistor de 100 no Emissor.

Figura - 4. 11. Polarização básica de um transistor com corrente de base constante na Montagem Emissor-Comum

Pela Lei de Kirchoff para a Malha de saída temos:

2 0CC RC CE REV V V V (4. 23)

Sabendo que

RC C CV R I (4. 24)

e

RE E EV R I (4. 25)

Temos:

2 0CC RC C C E EV V R I R I (4. 26)

Logo

2CC CE REC

C

V V VRI

(4. 27)

Usando o fato de que

129

2

2CC

CEQVV (4. 28)

e

3

2

10.10

10EQ CQ

EQ

I I A

I A

(4. 29)

Substituindo os valores temos:

2

3 2

2

10 5 100 .10 10 5 110.10 10

14 40010

C

C C

V V A V V VRA A

VR RA

(4. 30)

Pela Lei de Kirchoff para a Malha de entrada temos:

1 0CC BC BE REV V V V (4. 31)

Sabendo que

RB B BV R I (4. 32)

Temos:

1 0CC B B BE E EV R I V R I (4. 33)

Logo

CC BE E EB

B

V V R IRI

(4. 34)

Usando o fato de que

24100,7 10

100C

BE B BI AV V e I I A

(4. 35)

Substituindo os valores temos:

130

2

4 4

4

5 0,7 100 .10 5 0,7 110 10

3,3 3310

B

B B

V V A V V VRA A

VR R kA

(4. 36)

131

4. 5 – Amplificadores Lineares

Em vários equipamentos como: computadores, rádios, periféricos, aparelhos de

som e equipamentos médicos encontramos transistores usados como amplificadores.

Configurações diversas amplificam sinais que podem ser desde baixas freqüências, como as

correspondentes aos sons captados por um microfone para a placa de som de seu PC, até

freqüências muito altas como num receptor de rádio de ondas muito curtas. A seguir

veremos diversos tipos de amplificadores, dando mais ênfase aos amplificadores de áudio e

rádio freqüências.

4.5.1 - Definições Fundamentais

Um amplificador é um dispositivo que amplifica um sinal tornando sensível a

uma medida audível, por exemplo, conforme mostra a Figura - 4. 12..

Figura - 4. 12. Sinal amplificado proveniente de um microfone com saida em um alto-falante.

Um amplificador é dito linear, se ele se comporta como um circuito eletrônico

que multiplica a amplitude de uma tensão ou corrente alternada qualquer por uma

constante.

Figura - 4. 13. Qudripolo representado um amplificador linear

132

No quadripolo visto acima, representando um amplificador linear podemos

defnir:

fV : tensão alternada da fonte de sinal

fr : resistência interna da fonte de sinal

eV : tensão de entrada do amplificador

sV : tensão de saída do amplificador

ei : corrente de entrada do amplificador

si : corrente de saída do amplificador

LR

ee

e

VZi

: impedância de entrada de um amplificador, quando a carga está ligada

ss

s

VZi

: impedância de saída de um amplificador, com a entrada curto-circuitada

si

e

iAi

: ganho de corrente;

sv

e

VAV

: ganho de tensão

sp V i

e

PA A AP

: ganho de potência

4.5.2 - Amplificação

Amplificação é o fenômeno no qual a d.d.p. ou a corrente de um circuito é

amplificada, ainda que mantendo-se a potencia inalterada, isto é constante, por causa da

conservação da energia no circuito.

Os tipos de amplificação em circuitos elétricos podem acontecer em termos de

tensão, corrente e potência.

Em tensão:

Vout = AvVin (4. 37)

133

se Av > 1 amplificação (4. 38)

in

outV V

VA

(4. 39)

Em corrente:

in

outI I

IA

(4. 40)

4.5.3 – Amplificador de Áudio

A finalidade de um amplificador de áudio é aumentar a intensidade de um sinal

de baixa freqüência, normalmente entre 15 e 15000Hz. Dpendendo das características do

sinal com que este amplificador deve trabalhar e da potência de saída que deve fornecer,

temos diversas possibilidades de configurações. Em muitos casos um único transistor não

consegue fornecer a potência necessária à finalidade desejada, de modo que o amplificador

deve ter diversas etapas que fazem a amplificação sucessiva dos sinais.

Figura - 4. 14. Funcionamento de uma Rádio-Transmissão de Modulação de Amplitude (AM)

134

4. 6 – Características dos Amplificadores Lineares

Analisemos agora algumas características do amplificador

4.6.1 - Impedância de Entrada

Esta característica nos diz com que tipo de sinal o amplificador trabalha. Os

sinais que devem ser amplificados por um amplificador podem ter diversas origens,

provindo de dispositivos que tenham impedâncias diversas.

4.6.2 - Sensibilidade

Para que uma etapa amplificadora transistorizada ou mesmo um amplificador

completo funcione, é preciso que o sinal aplicado a sua entrada tenha uma intensidade

mínima, normalmente expressa em termos de volts, isso além de haver um casamento de

impedância. Se um amplificador tiver uma grande sensibilidade e a fonte de sinal fornecer

uma tensão maior do que ele precisa para completa excitação, a diferença pode compensar

um eventual descasamento de impedâncias

4.6.3 - Impedância de Saída

Essa característica nos diz o que podemos ligar na saída do amplificador. Para

que possamos ligar um alto-falante, por exemplo, o amplificador deve ter uma baixa

imped6ancia de saída. A impedância é expressa em Ohms.

4.6.4 - Potência ou amplitude do Sinal

Nos amplificadores que se desejam reproduzir um sinal de áudio, costuma-se

indicar a sua potência de saída, o que de certo modo nos permite avaliar o volume de som

que teremos para um ambiente. Essa potência é medida em Watts e existem designações

adicionais que nos dizem o modo como estes watts são obtidos. Assim, podemos falar em

watts RMS, se levarmos em conta que o amplificador está reproduzindo um som puro ou

um sinal senoidal. Se dermos a potência de pico, para o mesmo amplificador, teremos um

valor maior, conforme mostra a Figura - 4. 15.

135

Figura - 4. 15. Mesmo sinal especificado de maneiras diferentes.

Podemos falar em lugar de potência de pico, falarmos em potência pico a pico,

a qual dará um valor maior, mas que corresponde a mesma coisa. Ë por esse motivo, em

lugar de falar potência real ou RMS para amplificadores que daria um número pequeno,

muitos fabricantes preferem especificar seus aparelhos em termos de pico a pico ou mesmo

potencial musical o que faz crescer os números, dando a falsa impressão de que temos

aparelhos mais potentes.

Em função das características analisadas , veremos que os amplificadores que

trabalham com sinais de áudio podem ser divididos em diversos grupos que analisaremos a

seguir.

4.6.5 - Pré-Amplificadores

Estes amplificadores que podem ter uma ou mais etapas de amplificação se

destinam a amplificar sinais de pequena intensidade como os de microfone e saídas de

rádio, etc. Normalmente são usados transistores de baixo n’vel de ruído e alto ganho como

os de BC549. Na Figura - 4. 16 temos um circuito deste tipo para uma configuração de

Emissor-Comum.

Figura - 4. 16

136

Uma característica importante deste tipo de circuito é que sendo projetado para

trabalhar com sinais de muito pequena intensidade e apresentando um alto ganho, ruídos

que sejam induzidos nos fios podem ser amplificados juntamente com o sinal

4.6.6 - Drivers

Antes de chegarmos a potência máxima que desejamos para um sinal, para que

ele possa ser usado para excitar um alto-falante, pode ser necessário o uso de uma etapa de

amplificação intermediária. Esta etapa é denominada driver ou excitadora, conforme mostra

a Figura - 4. 17.

Figura - 4. 17

Dependendo do amplificador considerado esta etapa pode ter potências das

mais variadas. Num grande amplificador que tenha uma potência de saída de dezenas de

watts, a etapa de excitação pode ter alguns watts de saída, o que corresponde a um

verdadeiro amplificador de potência de pequeno porte.

Figura - 4. 18

137

4.6.7 - Amplificadores de Potência

Estes são amplificadores dotados de uma ou mais etapas cuja finalidade é

excitar alto-falantes, por exemplo, com sinais de grande intensidade que podem ir desde

100mW para amplificadores alimentados por pilhas em sistemas de multimídia, até mais de

50W para amplificadores de sonorização de grandes ambientes.

Para estes amplificadores de maior potência ou ainda para suas etapas finais são

usados transistores de potência montados em radiadores de calor apropriados, conforme

mostra a Figura - 4. 19.

Figura - 4. 19. Transistor de potência montado em radiador de calor

Assim as configurações para todos os tipos de amplificadores que vimos tem

pontos em comum em que se refere ao princípio de funcionamento mudando apenas o tipo

de sinal trabalhado, a potência e as características de entrada e saída.

138

4. 7 – Circuitos Práticos de Polarização do Transistor na Montagem Emissor-Comum

Existem três circuitos básicos de polarização do transistor na montagem

Emissor-Comum com realimentação, os quais são:

A polarização pode ser feita por realimentação em série (ou auto-realimentação

real de tensão), por realimentação paralela (ou auto-realimentação real de corrente) e por

realimentação mista (auto-realimentação mista de corrente e tensão).

4.7.1- Polarização por corrente de Base constante ( BI cte ou polarização fixa)

Devemos polarizar o transistor da seguinte forma:

Figura - 4. 20

Vantagem – Oferece maior ganho possível

Desvantagem – Este circuito é pouco estável. Sua instabilidade é por causa da

variação de temperatura que afeta o ganho de corrente /C BI I e a potência varia.

A corrente de Base é sempre constante nesta polarização, mas é pouco usada

porque, sendo o circuito depende de /C BI I , a variação de temperatura provoca

variação no ganho de corrente.

139

4.7.2 - Polarização por corrente de Emissor constante EI cte com realimentação paralela

A polarização por realimentação em paralelo (ou auto-realimentação real de

tensão), não dá bom ganho e também é dependente de /C BI I e apresenta pouca

estabilidade. A estabilização se verifica pela realimentação negativa de corrente pelo

coletor.

Figura - 4. 21. Circuito amplificador EI cte com realimentação paralela (ou realimentação de tensão); apresenta-se pouco estável.

140

4.7.2 - Polarização por corrente de Emissor constante EI cte com realimentação em série

A polarização por realimentação em série (ou auto-realimentação real de

corrente) apresenta-se estável, com boa estabilidade e resulta em um ganho grande.

Figura - 4. 22. Circuito amplificador EI cte com realimentação série (ou realimentação de corrente); apresenta-se boa estabilidade

141

Figura - 4. 23.

Figura - 4. 24

142

Figura - 4. 25.

As vantagens deste circuito são: 1) Controle de ganho; 2) Estabilidade térmica.

OBSERVAÇÃO:

O ganho já não depende mais do transistor como no 1º caso. Ele depende das

relações entre as resistências g = 2k/1k = 2.

- Ganho de tensão; - Ganho de corrente; - Inversão do sinal; - Impedância de

entrada baixa; - Impedância de saída alta.

143

4.7.2 - Polarização por corrente de Emissor constante EI cte com realimentação mista

A polarização por realimentação mista também é estável e apresenta grande

ganho.

Figura - 4. 26. Circuito amplificador EI cte com realimentação mista (realimentação de tensão e corrente); apresenta-se boa estabilidade.

144

.R R LP V I (4. 41)

e

.Z Z ZP V I (4. 42)

e

DL Z

Z

V VRI

(4. 43)

Sendo DL EV V e SR R

1,1Z SI I (4. 44)

Logo

1.1E Z

SS

V VRI

(4. 45)

e

1.1S S E ZR I V V (4. 46)

e

1.1E S S ZV R I V (4. 47)

e

1.1Z E S SV V R I (4. 48)

e

max .1,1 .Z Z E Z S S ZP V I V I R I I (4. 49)

e

max .1, 41EficazE E (4. 50)

145

4. 8 – Exemplos de Cálculo de Amplificadores Lineares

4.8.1- Determinação da reta de carga do transistor da polarização por corrente de Base constante ( BI cte ou polarização fixa)

Considere o circuito da Figura - 4. 27.

Figura - 4. 27

Figura - 4. 28

Polarização por corrente de Base constante – Montagem Emissor Comum

146

Nas curvas características de saída (ou de Coletor), para esta montagem, a reta

de carga estática, ou reta de carga em c.c. será traçada pelos pontos:

PX = (IC = 0, VCE = VCC) e PY = (0, IC=VCC/RC) (4. 51)

pois se deduz que

VCC = VCE + VRC = VCE + ICRC (4. 52)

O ponto de Operação, ou ponto quiescente, Q, é escolhido de forma a dividir

VCC em duas partes iguais.

VCE(Q) ½VCC (4. 53)

A tensão de fonte, VCC, é escolhida. Escolhe-se ainda uma corrente de Coletor,

IC(Q) e se calcula

RC = VRC ICQ (4. 54)

Sendo

VRC = VCB - VCE(Q) (4. 55)

onde IC(Q) é lida na curva e RB é calculado a partir da equação

VCC = VRB VBE = RBIB +VBE (4. 56)

Como VBE é muito menor que VCC, pode-se desprezá-la nos cálculos:

VCC RB IB (4. 57)

RB = VCC/IB (4. 58)

A corrente IB ou é lida nas curvcas características ou é calculada pela relação:

IB = IC (4. 59)

147

Polarização por corrente de Base constante – Montagem Emissor Comum

0 CERCCC VVV (4. 60)

CECCCERCCC VIRVVV (4. 61)

0 BERBCC VVV (4. 62)

SiGe

BEBBBERBCC VIRVVV

7,03,0

(4. 63)

Nas curva características de saída (ou de Coletor), para esta montagem, a reta

de carga estática, ou reta de carga em C.C. será traçada pelos pontos:

C

CCC

CE

YCCCE

CX

RV

I

VP

VVI

P0

0 (4. 64)

Pois se deduz que

CCCERCCECC RIVVVV (4. 65)

O ponto de operação, ou ponto quiescente, Q, é escolhido de forma a dividir a

VCC em duas partes iguais.

2CC

CEQV

V (4. 66)

A tensão de fonte, VCC é escolhida. Escolhe-se ainda uma corrente de Coletor,

ICQ e se calcula

CQ

RCC I

VR (4. 67)

148

Sendo

CEQCCRC VVV (4. 68)

ICQ é lida na curva característica do transistor e RB é calculado a partir da equação

BEBBBERBCC VIRVVV (4. 69)

Como VBE é muito menor que VCC, pode-se desprezá-la nos cálculos:

BBCC IRV (4. 70)

Logo

B

CCB I

VR (4. 71)

A corrente IB ou é lida nas curvas características ou é calculada pela relação

C

BI

I (4. 72)

FCCFCC

CB

CB

10;1

(4. 73)

CCCB VV (4. 74)

149

Figura - 4. 29

Exemplo: Determine a polarização do circuito dado abaixo, a partir dos valores: 12CCV V ,

3CQI mA e 200 .

Figura - 4. 30. Circuito amplificador por corrente de Base constante BI cte ou polarização fixa.

150

i) Utilizando lei de Kirchoff para a malha de saída temos:

0CC RC CEV V V (4. 75)

Sendo

RC C CV R I (4. 76)

temos:

0CC C CQ CEQV R I V (4. 77)

e considerando

62CC

CEQVV V (4. 78)

Substituindo os valores

312 3.10 6 0CV R V (4. 79)

Logo

3

6 23.10C C

VR R k (4. 80)

ii) Utilizando lei de Kirchoff para a malha de entrada temos:

0CC RB BEV V V (4. 81)

Sendo

RB B BV R I (4. 82)

temos:

0CC B B BEV R I V (4. 83)

e considerando

0,7BEV V (4. 84)

e sabendo que:

151

353 3.10 1,5.10

200 200C

B BI mA AI I A

(4. 85)

Substituindo os valores

512 1,5.10 0,7 0BV R V (4. 86)

Logo

5

11,3 7501,5.10C C

VR R k (4. 87)

152

Exemplo: No circuito abaixo, calcule o valor de BR , para 50 , 12CCV V , 2CEQI mA ,

0,7BEV V .

Figura - 4. 31. Circuito amplificador por corrente de Base constante BI cte ou polarização fixa.

Sabendo que /C BI I temos:

2 4050

CB B

I mAI I A

(4. 88)

Mas pela lei de Kirchoff para a malha de saída tem-se:

CC RC CEV V V (4. 89)

onde para

0C CE CCI V V (4. 90)

e para

0 /CE C CC CV I V R (4. 91)

A partir do gráfico da curva característica do transistor tem-se:

153

Figura - 4. 32. Curva característica de um transistor

Sendo 2CQI mA e 6CEV V temos:

12 66

RC CC CEQ

RC

RC

V V VV V VV V

(4. 92)

Logo

3

62.103

RCC

CQ

C

C

VRI

VRA

R k

(4. 93)

Agora pela lei de Kirchoff para a malha de entrada tem-se:

CC RB BEV V V (4. 94)

e

12 0,711,3

RB CC BE

RB

RB

V V VV V VV V

(4. 95)

Logo

154

6

11,340.10

280

RBB

B

B

V VRI A

R

(4. 96)

Sendo ainda

RB RB BCV V V (4. 97)

e

11,3 65,3

BC RB RC

BC

BC

V V VV V VV V

(4. 98)

Ou de outra forma

CE BC BEV V V (4. 99)

e

6 0,75,3

BC CE BE

BC

BC

V V VV V VV V

(4. 100)

155

4.8.2 - Determinação da reta de carga do transistor da polarização por corrente de Emissor constante ( EI cte ou realimentação paralela)

Exemplo: No circuito abaixo, calcule o valor de BR , para 45 , 24CCV V , 10CR k ,

270ER , 0,7BEV V , 5CEV V .

Figura - 4. 33. Circuito amplificador EI cte com realimentação paralela (ou realimentação de tensão);

Polarização por corrente de Emissor constante – Montagem Emissor Comum

0 RECERCCC VVVV (4. 101)

ou

RECERCCC VVVV (4. 102)

Sendo

;CC C C RE E EV R I V R I (4. 103)

logo

156

EECECCCC IRVIRV (4. 104)

Substituindo os valores temos:

324 10.10 5 270C EV I V I (4. 105)

Considerando C EI I temos:

24 10 5 270C CV k I V I (4. 106)

Logo

24 5 19 0,0018510270 10270C C

V V VI I A

(4. 107)

Sendo

0,00185 41,1145

CB B

I AI I A

(4. 108)

Considerando ainda que

0CC RC RB BE REV V V V V (4. 109)

ou

CC RC RB BE REV V V V V (4. 110)

Sendo

;RB B B RE E EV R I V R I (4. 111)

logo

CC C C B B BE E EV R I R I V R I (4. 112)

Substituindo os valores temos:

324 10.10 0,00185 41,11 0,7 270 0,00185BV A R A V A (4. 113)

Logo

157

24 19 41,11 0,7BV V R A V (4. 114)

Ou

24 19 0,7 24,341,11 41,11

107,5

B

B

V V V VRA A

R k

(4. 115)

158

4.8.3 - Determinação da reta de carga do transistor da polarização por corrente de Emissor constante ( EI cte ou realimentação em série)

Figura - 4. 34. Circuito amplificador EI cte com realimentação série (ou realimentação de corrente);

Polarização por corrente de Emissor constante – Montagem Emissor Comum

0 RECERCCC VVVV (4. 116)

RECERCCC VVVV (4. 117)

EECECCCC IRVIRV (4. 118)

RECECC VVV (4. 119)

159

Nesta polarização deve-se observar que:

- RC será maior possível para melhorar o ganho;

- RE será tão pequeno quanto possível, pois um valor elevado de RE reduz a excursão de

tensão de saída;

- RB será pequeno para melhorar a estabilidade, mas grande o suficiente para não haver

redução no ganho

Seqüência de Cálculos:

1) Escolher VCC

2) 2) Escolher o Transistor

3) Fazer 22

1 CCRCCCC

VVVV

4) Escolher CEC III

5) 10CC

REEV

VR

6) Calcular RB1 e RB2 RB usando o Teorema de Thevenin onde EB RR 10

Figura - 4. 35

EB RR 10 (4. 120)

160

21

21

BB

BBB RR

RRR

(4. 121)

CCBB

BT V

RRR

V12

2

(4. 122)

Figura - 4. 36

C

BI

I (4. 123)

Figura - 4. 37

161

CCBBB

BBT V

RRRRR

V112

12

(4. 124)

CCB

BT V

RR

V1

(4. 125)

CCT

BB V

VR

R 1 (4. 126)

CCBB

BBB V

RRRR

R1

12 (4. 127)

162

4) Calcule a polarização do circuito amplificador estabilizado dado a seguir, com:

10CCV V , 1REV V , 1E CI I mA , 200 .

Figura - 4. 38. Circuito amplificador EI cte com realimentação série (ou realimentação de corrente);

Usando a Lei de Kirchoff

C CE REV V V (4. 128)

ou

CE C REV V V (4. 129)

Considerando

210 52

CCC

C C

VV

V V V

(4. 130)

Logo

5 14

CE

CE

V V VV V

(4. 131)

163

Usando novamente a Lei de Kirchoff

0CC RC CEV V V (4. 132)

ou

CC RC CEV V V (4. 133)

Substituindo os valores temos:

10 55

RC

RC

V V VV V

(4. 134)

Sendo

RC C CV R I (4. 135)

logo

3

51.10

5

RCC

C

C

V VRI A

R k

(4. 136)

Sendo

RE E E E CV R I R I (4. 137)

logo

3

11.10

1

REE

C

E

V VRI A

R k

(4. 138)

Agora vamos calcular 1 2,B BR R , redesenhando o circuito conforme mostra a :

1 2 0CC RB RBV V V (4. 139)

sendo

1 1 2 2. ; .RB B RB BV R i V R i (4. 140)

temos:

164

1 2CC B BV R R i (4. 141)

Logo

1 2

CC

B B

ViR R

(4. 142)

Portanto substituindo ( ) e ( ) temos:

2

21 2

BRB CC

B B

RV VR R

(4. 143)

Figura - 4. 39

Sendo

2RB TV V (4. 144)

então

21

21

BB

BBB RR

RRR

(4. 145)

Considerando que:

EB RR 10 (4. 146)

Então

165

10.1000BR (4. 147)

Logo

10BR k (4. 148)

e

1

BT CC

B

RV VR

(4. 149)

então

CCBB

BT V

RRR

V12

2

(4. 150)

CCBBB

BBT V

RRRRR

V112

12

(4. 151)

CCB

BT V

RR

V1

(4. 152)

CCT

BB V

VR

R 1 (4. 153)

CCBB

BBB V

RRRR

R1

12 (4. 154)

Calculando o circuito equivalente

166

Figura - 4. 40

361.10 5.10

2005

CB

B

I AI A

I A

(4. 155)

Logo

6

3 6 3

10 .5.10

10.10 .5.10 10.5.100,05

RB B B

RB

RB

V R I k AVV V

(4. 156)

e

0T RB BE REV V V V (4. 157)

Substituindo os valores temos:

0,05 0,7 11,75

T

T

V V VV V

(4. 158)

167

Figura - 4. 41

A partir de ( ) temos:

1

3 5

1

1

10.10 10101,75 1,75

57

BB CC

T

B

B

RR VV

R VV

R k

(4. 159)

E a partir de ( ) temos que:

1 2 1 2

1 1 2

1 1 2

00

B B B B B B

B B B B B

B B B B B

R R R R R RR R R R R

R R R R R

(4. 160)

Ou

12

1

B BB

B B

R RRR R

(4. 161)

Substituindo os valores temos:

3 3

2 3

3

2 2

10.10 57.1010 133 .10

570.10 8, 467

B

B B

R

R R k

(4. 162)

168

5) Para o circuito da figura, calcular a amplificação de tensão, a amplificação de corrente, a

amplificação de potência, a resistência de entrada e a resistência de saída.

Dados: 2ieh k ; 0reh ; 100feh ; 150oeh k ; 1 0CZC

169

6) Determinar a polarização do circuito dado abaixo, para os valores de: 15CCV V ,

3CQI mA e 200 .

A seguir, calcular as amplificações de tensão, de corrente e de potência;

calcular ainda a resistência de entrada e saída

170

4. 9 – Amplificadores Lineares – Circuitos Básicos

Uma amplificador linear se caracteriza por fornecer à saida um sinal sem

distorções, como sendo um retrato ampliado do sinal de entrada. Qualquer montagem

poderá definir um amplificador linear, sede que a correspondente polarização situe o

transistor em sua região linerar ou região de trabalho.

Diz-se amplificador de um estágio quando for constituido por um único

transistor, por exemplo:

Figura - 4. 42. Amplificador de tensão

No circuito:

VCC = tensão da bateria de polarização

RC, RE, R1, R2 = resistência de polarização

CB e CC = capacitores de acoplamento

CE = capacitor de desacoplamento (“by pass”)

171

MONTAGEM

PROPRIEDADE

Emissor – Comum EC

Base – Comum BC

Coletor- Comum CC

Resistência de Entrada - ER

Médio 1K Pequeno 55 Grande

Resistência de Saída - SR

Grande 55K Grande 50K Pequeno

Amplificação de corrente - IA

Grande Pequeno < 1 Grande

Amplificação de Tensão - VA

Grande Grande Pequeno < 1

Amplificação de Potência - AP

Grande: 40 a 50 dB Médio: 20 a 30 dB Médio: 10 a 20 dB

ENTRADA Entre a Base e o Emisor

Entre o Emissor e a Base

Entre a Base e o Coletor

SAÍDA Entre o Coletor e o Emissor

Entre o Coletor e a Base

Entre o Emissor e o Coletor

Defasagem 180º 0º 0º

Esquema simplificado

Amplificador de vários estágios são constituidos por mais de um transistor,

sendo estágios interligados em cascata, no modo diferencial, no modo seguidor de emissor,

etc. Diz-se em cascata, quando o estágio seguinte ligado em série com o anterior, como

visto neste exemplo:

172

Figura - 4. 43. Amplificador de tensão de dois estágios

Ainda em cascata pode-se fazer a montagem a seguir, que apresenta uma

amplificação em larga faixa, com elevada tensão de saída:

Figura - 4. 44. Amplificador com elevada tensão de saída

Para se obter o produto das correntes, pode-se fazer conexão “Darlington” com

a qual se consegue alto ganho de corrente:

Figura - 4. 45. Amplificador Darlington alto ganho de corrente

173

Também em cascata obtém-se um amplificador de dois estágios, tipo “par

complementar”.

Figura - 4. 46. Amplificador par complementar

Outro exemplo de amplificador de dois estágios pode ser o conhecido

amplificador diferencial, que exerce várias funções, de acordo com amontagem, entre ele

citamos duas:

a) amplificar uma diferença entre dois sinais de entrada (Figura – a)

b) fornecer dois sinais defasados em 180o, amplificados, a partir de um único sinla de

entrada (Figura – b).

Figura - 4. 47. Amplificador

174

Figura - 4. 48. Amplificador

O acoplamento entre os estágios amplificadores, ou entre o último estágio e a

carga, precisa ser escolhido de modo a fazer um perfeito casamento de impedâncias, a fim

de se garantir a máxima transferência de energia de um circuito para o outro.

Acoplamento RC

Este tipo de acoplamento é feito por meio da associação de um capacitor e um

resistor; é usado quando a impedância de saída de um circuito é praticamente igual á

impedância de entrada do circuito (estágio) seguinte.

Figura - 4. 49. Amplificador de tensão de dois estágios

175

Acoplamento por Transformador

Neste caso, uma alta impedância de saída de amplificador pode ser casada com

a carga de baixa impedância, através de relações diferentes de impedâncias de entrada e

saída do transformador.

Figura - 4. 50. Amplificador de tensão de dois estágios

Acoplamento Direto

Para circuitos que exigem resposta em baixas frequencias não se usam

capacitores nem transformadores, pois estes componentes podem cortar os sinais de mais

baixa frequencia. O acoplamento direto é também chamado de acoplamento CC, porque a

componente de corrente contínua usada na polarização não é bloqueada, como ocorre nos

outros casos.

Figura - 4. 51. Amplificador de tensão de dois estágios

176

4. 10 – Classificação dos Amplificadores lineares

Podemos classificar um amplificador com respeito a

a) CONFIGURAÇÃO DO CIRCUITO:

i) Amplificador “push-pull” balanceado ou parafase

ii) Amplficador “push-pull”não balanceado ou de simetria complementar

iii) Amplificador em ponte

b) SINAL DE SAIDA:

i) Amplificador de Tensão

ii) Amplificador de Corrente

iii) Amplificador de Potência

c) POLARIZAÇÃO:

i) Amplificador Classe A, B, C, D, AB, e G.

d) FREQUENCIA DE OPERAÇÃO:

i) Ampificador de Baixa Frequencia ou de Aúdio (BF)

ii) Amplificador de Alta Frequencia (R.F.)

4.10.1- Amplificador Classe A

O que caracteriza um amplificador operando em classe A é ESTÁ

POLAIZADO NA REGIÃO ATIVA, em um ponto no qual há simetria so sinal de saída, ou

seja, O TRANSISTOR CONDUZ DURANTE TODO O PERIODO DO SINAL DE

ENTRADA; o ânglo de condução é, pois de 360º.

A principal desvantagem deste amplificador é a dissipação de potência mesmo

quando em repouso; mesmo sem sinal na entrada há dissipação, devido ao consumo de

corrente contínua de polarização, equivalente a P = IC.VCE. Por este motivo, o seu

rendimento está entre 20 e 30%.

A principal vantagem é a grande linearidade do amplificador clase A, o que

torna indicado somente para sistemas de alta fidelidade em média e baixa potência.

A figura mostra um amplificador classe A com acoplamento a transformador e

suas respectivas curvas características.

177

4.10.2 - Amplificador Classe B

Este tipo de amplificador é sempre constiuída por dois estágios operando em

“contrafase” (push-pull). Cada transistor é polarizado na região de corte ou próxima dela,

de modo que só há condução de um semi-ciclo, ora em um transistor, ora em outro,

determinando assim um ângulo de condução de 180º para cada transistor e de 360º para

todo amplificador.

A grande vantagem desta classe é que na ausência de sinal nào há condução, e o

consumo é nulo ou quase nulo, obtendo-se rendimento entre 60% e 70%, à potência

máxima. A principal desvantagem é a distorção de “crossover” resultante dos períodos de

transição entre o corte e a condução que nem sempre são iguais.

Classe B, simetria complementar

4.10.3 - Amplificador Classe AB

Obtém-se esta classe com dois transistores em contrafase, mas polarizados

ainda na região ativa, embora que próximo ao corte. O ângulo de condução poderá varia

entre 180º e 360º.

A vantagem deste amplificador é seu baixo consumo quando sem sinal e pouca

distorçãode “crossover”, pois apesar da tensão VCE ser grande a corrente IC é muito pequena

(corrente limiar).

4.10.4 - Amplificador Classe C

Quando o transistor é polarizado de modo a conduzir durante menos de meio

cilco de n sinal de entrada, diz-se que o amplificador opera em classa\e C, na qual é obtido

apenas uma pacela de sinal de entrada.

Esta classe é empregada para sinais de R.F., em que o sinal pode ser

completado ou “integrado” pelos filtros LC associados. Outra aplicação usual é em

megafones, para que com pequenas baterias se obtenha uma potência elevada.

A vantagem deste amplificador é o elevao rendimento, alcançado até 90%.

178

4.10.5 - Amplificador Classe D

Esta é uma classe de amplificadores diferente, que transforma os sinais áudio,

baixa frequência, em pulsos com elevada frequência, fazendo uma amostragem do sinal de

entrada em frequência muito superior. Os transistores utilizados são do tipo de comutação

rápida, e o sinal de saída é reintegrado por filtros especiais de nivelamento, obtendo-se um

sinal muito semelhante ao de entrada. Pocesso conhecido como PWM (Pulse Width

Modulated). O rendimeno deste amplificador chega a 95%.

4.10.6 - Amplificador Classe G

Se constitui este amplificador de pares duplos de transistores operando em

contra-fase. Observa-se na prática, que o amplificador funciona durante a maior parte do

tempo, com as tensões V1 e V’1, na figura (cerca de 90% de cada ciclo), enquanto os outros

10% ficam reservados às tensões V2 e V’2.

Mesmo sendo este amplificador, em principio, semelhante ao de Classe B, seu

rendimento se eleva a 80% na maior parte do tempo de repodução e não apenas para

máxima dissipação. Com o emprego de transisores especiais, adistorção de “crossover”se

reduz ao mínimo.

179

Quadro comparativo entre as diversas classes de amplificadores

Tipo Circuito Rendimento Ângulo de

condução Crossover Linearidade

Emprego ou

Aplicação

A Um transistor

polarizada na

região ativa

20 a 30%; à

máxima potência:

50%; cons.

Elevado

360º Não

apresenta

Muito boa Pré amplificador:

sistema de alta

fidelidade em

áudio

B 2 transistores em

contrafase,

ambos

polarizados no

corte

60 a 70% à

maxima potência:

80% consumo

reduzido

180º cada

transistor

Grande a

qualquer

nível de sinal

Nào linear na

transição

Amplificador

deelvado ganho em

áudio.

AB Um transistor

polarizado na

região linear e

dois em contra

fase

60% consumo

médio

De 180º a

360º

pequena regular Amplificador de

potência de áudio

C Um transistor

poarizado muito

abaixo

90% consumo

mínimo

Menor que

180º

Não

apresenta

boa Amplificador de

potência de R.F. e

Megafone

D Gerador

modulador por

largura de

pulsoss ou

P.W.M.

Muito elevada

acima de 90%

360º

pulsados

Depende do

projeo

regular Amplificador de

potência elevada

em Baixa

frequencia ou C.

W.

G Pares duplos de

transistores

Elevada, 80%

para qualquer

nível

360º para o

conjunto

reduzida boa Amplificador de

potência de áudio

NOTA: um pré-amplificador é constituído de amplificadores em classe A, de perfeita

linearidade e estabilidade, com ganho fixado em função da tensão da fonte de sinal e da

entrada máxima permissível para o amplificador de potência. Se comporta como casador de

impedância. Se comporta como “casadaor de impedância”e levador de nível.