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Semicondutores Diodos e Transistores

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Semicondutores Diodos e Transistores

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    1. Diodos Semicondutores 1.1. INTRODUO

    Os semicondutores, sem qualquer sombra de dvida, revolucionaram a

    tecnologia dos circuitos eletrnicos, por se tratarem de dispositivos de pequenas dimenses aliadas a uma operao eficiente e confivel. Os diodos e os transistores bipolares so os dispositivos semicondutores mais conhecidos e utilizados. Na tarde de 23 de dezembro de 1947, Walter H. Brattain e John Bardeen demonstraram a funo de amplificao do primeiro transistor nos laboratrios da Bell Telephone Laboratories. O nome transistor derivado de transferncia de resistncia, indicando assim um dispositivo de estado slido. A miniaturizao resultante nos leva a questionar seus limites. Atualmente sistemas completos so implementados em chips que so centenas de vezes menores que um nico componente utilizado em circuitos anteriores. Os elementos germnio e silcio so os mais utilizados na fabricao de diodos e transistores. 1.2. DISPOSITIVOS SEMICONDUTORES O semicondutor um material que possui uma resistncia entre um condutor e um isolante. A principal caracterstica de um semicondutor a sua estrutura atmica, que permite uma conduo maior, mediante a adio de impurezas. A adio de elementos de impureza em uma estrutura pura de germnio ou silcio denomina-se dopagem. A finalidade da dopagem aumentar a quantidade de cargas livres (positivas ou negativas), que podem mover-se mediante uma tenso externa. Quando o nmero de eltrons livres (cargas negativas) aumentado, o semicondutor do tipo negativo ou tipo N; diminuindo o nmero de eltrons livres o semicondutor torna-se do tipo P. Desta forma no semicondutor dopado do tipo N prevalecem as cargas negativas, enquanto que no tipo P prevalecem as cargas positivas. Quando os dois tipos so unidos, o resultado uma juno PN ou NP.

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    Uma juno PN na realidade um diodo semicondutor, que tem como caracterstica principal conduzir corrente em uma nica direo. O diodo ideal um dispositivo de dois terminais. Seu smbolo e sua curva caracterstica so mostrados nas figuras abaixo: A funo bsica de um diodo conduzir corrente no sentido definido pela seta no smbolo e agir como um circuito aberto para qualquer tentativa de estabelecer corrente no sentido oposto. Em resumo, as caractersticas de um diodo ideal so as de uma chave que teria a capacidade de conduzir corrente em um nico sentido. 1.3. CARACTERSTICAS DO SEMICONDUTOR As principais caractersticas do semicondutor puro (sem dopagem) so: a) resistncia maior do que os condutores metlicos, porm menor do que os isolantes; b) coeficiente negativo, isto , a resistncia diminui com o aumento da temperatura; c) a valncia dos tomos que constituem esses semicondutores 4; isto significa que a ltima camada desses tomos possui 4 eltrons.

    Cristal dopado tipo P

    Cristal dopado tipo N

    Diodo Ideal: (a) Smbolo ; (b) Curva Caracterstica

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    ELTRONS E PRTONS NO TOMO

    Embora existam vrias maneiras de agrupamento dos eltrons e prtons em um tomo, existe uma combinao especfica que resulta em um arranjo estvel do mesmo, isto , cada tipo de combinao estvel de eltrons e prtons determina o tipo de tomo. Os tomos possuem um ncleo composto por prtons (com carga positiva) e neutrons (sem carga), prevalecendo ento no ncleo carga positiva e, eltrons nas rbitas (carga negativa), formando assim um arranjo eletricamente estvel por possurem uma quantidade de prtons no ncleo igual ao nmero de eltrons nas rbitas. A quantidade de prtons no ncleo e eltrons nas rbitas denominada nmero atmico (NA); a quantidade de prtons no ncleo igual a quantidade de eltrons nas rbitas. As rbitas so anis concntricos ao redor do ncleo nos quais esto os eltrons em um movimento semelhante ao do sistema solar, no qual os planetas giram em torno do sol e em torno de si mesmos. O movimento de rotao de um eltron denominado spin. Por exemplo, o tomo de hidrognio cujo arranjo mostrado abaixo possui em sua estrutura um eltron e um prton.

    O tomo de hidrognio possui NA (nmero atmico) igual a 1, isto , possui apenas um eltron na rbita K e um prton no ncleo. O ncleo tende a atrair o nico eltron enquanto que o eltron tende a vencer a fora de atrao do ncleo. Como essas foras so mecanicamente balanceadas, o eltron permanece em sua rbita ao redor do ncleo. O prton e o ncleo possuem carga elementar igual (1,6 x 10 -19 C), porm a massa do ncleo cerca de 1.840 vezes maior do que a massa do eltron.

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    Os tomos podem ter vrias rbitas ou camadas (no mximo sete), nas

    quais esto distribudos os eltrons. Estas camadas so identificadas pelas letras K, L, M, N, O, P e Q. Cada rbita possui um nmero mximo de eltrons, determinando assim as caractersticas do elemento. A tabela abaixo mostra as rbitas de um tomo e a quantidade mxima de eltrons por rbita.

    RBITA

    OU CAMADA

    N MXIMO DE ELTRONS

    K 2 L 8 M 8 ou 18 N 8, 18 ou 32 O 8 ou 18 P 8 ou 18 Q 8

    de especial importncia a quantidade de eltrons na rbita ou camada mais distante do ncleo. A camada externa1 requer 8 eltrons para a estabilidade do tomo, exceto quando o mesmo possui apenas uma rbita a qual tem no mximo 2 eltrons. O tomo de carbono, cuja configurao mostrada abaixo possui 6 eltrons, e portanto NA = 6.

    Observa-se que na ltima camada existem apenas 4 eltrons, a qual pode ter no mximo 8 eltrons, estando portanto incompleta. 1 A camada externa recebe tambm o nome de valncia

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    Quando vrios tomos de carbono so agrupados, tendem a entrar em

    covalncia, compartilhando os eltrons de sua ltima camada. Desta forma em uma ligao covalente cada tomo de carbono enxerga na ltima camada 8 eltrons, o que constitui uma configurao estvel.

    tomos com 8 eltrons na ltima camada apresentam uma configurao estvel, isto , no tendem a doar e nem receber eltrons a no ser em condies especiais como calor, luz, campo eltrico, etc.

    RESUMINDO: 1. tomos estveis: so tomos com a ltima camada saturada; 2. tomos quimicamente ativos: so tomos que no possuem a ltima

    camada saturada; 3. Eltrons de valncia: so os eltrons da ltima camada ou rbita de

    um tomo; 4. Eltrons livres: so os eltrons que participam da corrente eletrnica.

    CONDUTORES, ISOLANTES E SEMICONDUTORES

    O termo condutor aplicado a qualquer material que sustenta um grande fluxo de carga ao se aplicar, atravs de seus terminais, uma fonte de tenso de amplitude limitada. Os eltrons podem mover-se facilmente de tomo para tomo em um material condutor. Em geral os metais so bons condutores, sendo a prata o melhor vindo em seguida o cobre.

    A estrutura atmica dos condutores permite que os eltrons da ltima camada movimentem-se facilmente com um mnimo de oposio.

    Inversamente relacionada condutividade de um material sua

    resistncia ao fluxo de carga ou corrente. Ou seja, quanto maior o nvel de condutividade, menor o nvel de resistncia. Em tabelas, o termo resistividade comumente utilizado quando se comparam os nveis de resistncia dos materiais. Em unidades mtricas, a resistividade de um material medida em -cm ou -m. Na tabela abaixo so fornecidos os valores tpicos de resistividade para trs grandes categorias de materiais.

    Valores tpicos de resistividade

    Condutor Semicondutor Isolante 10-6 -cm

    (cobre) 50 -cm (germnio) 50x103 -cm (silcio)

    1012 -cm (mica)

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    O cobre, cuja estrutura mostrada abaixo um excelente condutor,

    pois possui na ltima camada apenas 1 eltron, o qual pode movimentar-se com muita facilidade. Em virtude disto, este eltron recebe o nome de eltron livre.

    Em geral os bons condutores possuem apenas 1 eltron na ltima rbita ou camada de valncia. Um material cujos tomos tendem a permanecer em suas camadas de valncia so denominados isolantes porque no podem conduzir corrente eltrica com facilidade. No entanto, os isolantes so capazes de armazenar eletricidade melhor do que os condutores. Materiais como mica, vidro, borracha, papel, etc. so tambm denominados dieltricos, muito utilizados na fabricao de capacitores. Desta forma, os isolantes so muito teis quando deseja-se bloquear a passagem de corrente. O semicondutor um elemento que conduz menos do que os metais condutores porm muito mais do que os isolantes (carbono, germnio e silcio so os semicondutores mais conhecidos). A tabela a seguir mostra alguns tipos de condutores e semicondutores.

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    GRUPO

    ELEMENTO

    SMBOLO N

    ATMICO ELTRON

    DE VALNCIA

    Metais condutores, em ordem de condutncia

    Prata Cobre Ouro Alumnio Ferro

    Ag Cu Au Al Fe

    47 29 79 13 26

    +1 +1 +1 +3 +2

    Semicondutores Carbono Silcio Germnio

    C Si Ge

    6 14 32

    4 4 4

    Gases ativos Hidrognio Oxignio

    H O

    1 8

    1 -2

    Gases inertes Hlio Neon

    He Ne

    2 10

    0 0

    ESTRUTURA DO CRISTAL

    Algumas das qualidades nicas do Ge e do Si devem-se a suas estruturas atmicas. Os tomos de ambos os materiais formam um modelo bem preciso e peridico (isto , que se repete continuamente) por natureza. Um modelo completo chamado de cristal, e o arranjo peridico dos tomos chamado de trelia. No caso do Ge e do Si, o cristal tem estrutura de diamante tridimensional, como mostra a figura abaixo. Todo material composto de estruturas cristalinas repetidas do mesmo tipo chamado de uma estrutura de cristal singular. Para materiais semicondutores de aplicao prtica no campo da eletrnica, esse dispositivo de cristal singular existe e, alm disso, a periodicidade da estrutura no se modifica de maneira significativa com a adio de impurezas no processo de dopagem. Os modelos de Bohr dos d

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