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INTRODUÇÃO À ELETRÔNICA BMA/BMB/SEM. SEMICONDUTORES.

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1 INTRODUÇÃO À ELETRÔNICA BMA/BMB/SEM

2 SEMICONDUTORES

3 Origem do termo semicondutor Um semicondutor é um material que possui um nível de condutividade em algum ponto entre os extremos de um isolante (condutividade muito baixa) e um condutor.

4 Bandas de Energia Banda de energia K L M N O P Q N.o máximo de elétrons Modelo atômico de Bohr.

5 Bandas de Energia Quanto maior a energia do elétron, maior é o raio de sua órbita. Assim, um elétron da órbita Q tem mais energia que um elétron da órbita P. Este por sua vez, tem mais energia que um elétron da órbita O e assim por diante. Banda de energia K L M N O P Q N.o máximo de elétrons

6 Bandas de Energia Banda de Valência ou Órbita de Valência È a órbita mais externa de um átomo e define a sua valência. Ou seja a quantidade de elétrons que pode se libertar do átomo através do bombardeio de energia externa (calor, luz ou outro tipo de radiação) ou se ligar a outro átomo através de ligações covalentes (compartilhamento dos elétrons da última órbita de um átomo com os elétrons da última órbita de outro átomo).

7 Bandas de Energia Banda de Valência ou Órbita de Valência Os elétrons da banda de valência são os que têm mais facilidade de sair do átomo. têm uma maior energia; e estão a uma distância maior em relação ao núcleo do átomo, logo a força de atração eletrostática é menor. Desta forma uma pequena quantidade de energia recebida é suficiente para que se tornem elétrons livres, formando assim, uma banda de condução, sendo capazes de se movimentar pelo material.

8 Bandas de Energia Os elétrons livres sob a ação de um campo elétrico formam a corrente elétrica como mostra a figura abaixo. Formação de elétrons livres

9 Bandas de Energia Caso a banda de valência não possua o número máximo de elétrons permitido será a responsável pelas ligações covalentes com os outros átomos de forma a tornar a ligação atômica estável. O tamanho dessa banda proibida na última camada de elétrons define o comportamento elétrico do material. Região proibida é a região entre uma órbita e outra onde não é possível existir elétrons. Devido a essas órbitas estarem a distâncias bem definidas em relação ao núcleo do átomo é que determinou esta região.

10 Bandas de Energia a) isolante b) condutor c) semicondutor

11 Características dos materiais semicondutores Resistividade (ρ, letra grega rô): é uma característica própria do material e independe da geometria do mesmo. Resistência: é uma propriedade do corpo e depende da geometria do mesmo. Resistividade X Resistência Podemos encontrar peças feitas com materiais diferentes (diferentes resistividades), mas com a mesma resistência.

12 A resistividade afeta diretamente a resistência de um material. Essa dependência fica clara através da análise da equação abaixo. Características dos materiais semicondutores R= ρ.L/A Onde: R-resistência do material, medido em ohms (Ω) L-comprimento do material, medido em metros (m) A-área da secção transversal, medido em metros quadrados (m2) e; ρ-resistividade, medida em Ω x m.

13 Características dos materiais semicondutores

14 Os materiais semicondutores possuem um valor intermediário de resistividade. Características dos materiais semicondutores Os materiais semicondutores podem mudar, de forma bem acentuada, sua resistividade e por conseqüência sua resistência elétrica, apenas com o aumento da energia térmica ou da energia luminosa fornecida a eles, essa característica é muito importante no desenvolvimento de dispositivos sensíveis ao calor e à luz.

15 O processo que muda significativamente as características do material, através da aplicação de impurezas, é conhecido como dopagem e é de fundamental importância para a obtenção de diodos e transistores. Características dos materiais semicondutores Os materiais semicondutores, como o germânio e o silício, podem passar de condutores de corrente elétrica relativamente pobres para bons condutores, apenas com a aplicação de algumas impurezas (do tipo adequado) em suas estruturas.

16 Os mais comuns e mais utilizados são o silício (Si) e o germânio (Ge); e Estrutura semicondutores Existem vários tipos de materiais semicondutores; Estes dois elementos são tetravalentes (família IV A), portanto possuem quatro elétrons em sua camada de valência O Si e o Ge são tetravalentes, cada átomo pode realizar quatro ligações covalentes com outros quatro átomos.

17 Distribuição dos elétrons nos átomos de silício e germânio. Estrutura semicondutores

18 Quando átomos de silício se combinam para formar um sólido, eles são arranjados segundo um padrão ordenado chamado cristal ou estrutura cristalina. Representação tridimensional Representação simplificada plana.

19 Materiais »G»Germânio; »S»Silício. Quanto à condutividade, os materiais são: SEMICONDUTORES –B–Bons condutores; –M–Maus condutores; –I–Isolantes.

20 Estrutura cristalina Forma definida, regular e estável; Formada a partir de ligações covalentes; Germânio e silício: 4 elétrons de valência; Combinam-se pela regra do octeto; Assim sendo, 4 ligações covalentes;

21 Estabilidade: Não perde suas características com facilidade; Ainda assim recebe ou libera elétrons dependendo da energia; Térmica, luminosa, magnética, Etc. Elétron livre e a sua vaga: PORTADORES.

22 Estrutura cristalina Representação tridimensional Representação simplificada plana.

23 Portadores Elétrons livres: PORTADORES NEGATIVOS; Lacunas (suas vagas): PORTADORES POSITIVOS; Igual quantia de portadores num material: CARGA ELÉTRICA NULA; Portanto, necessidade da inserção de impurezas: DOPAGEM;

24 Materiais Extrínsecos Um material semicondutor que tenha sido submetido a um processo de dopagem é chamado de material extrínseco. A dopagem é adição de certos átomos de impurezas ao material semicondutor relativamente puro. Há dois materiais extrínsecos de muita importância para a fabricação de dispositivos semicondutores: o tipo N e o tipo P.

25 Elemento P: Maior quantidade de BURACOS ou LACUNAS; Inserção de impurezas (dopagem) aceitadoras (apenas 3 elétrons de valência):Inserção de impurezas (dopagem) aceitadoras (apenas 3 elétrons de valência): Geração de elementos N e P as impurezas trivalentes são chamadas de impurezas tipo P ou aceitadoras.

26 Geração de elementos N e P Cristal de silício com impureza trivalente

27 Geração de elementos N e P Semicondutor tipo P

28 Geração de elementos N e P Elemento N: Maior quantidade de ELÉTRONS LIVRES; Elemento N: Maior quantidade de ELÉTRONS LIVRES; Inserção de impurezas (dopagem) doadoras (5 elétrons de valência) material pentavalente:Inserção de impurezas (dopagem) doadoras (5 elétrons de valência) material pentavalente: as impurezas pentavalentes são chamadas de impurezas tipo N ou doadoras.

29 Geração de elementos N e P Cristal de silício com impureza pentavalente

30 Geração de elementos N e P Semicondutor tipo N

31 Deslocamento de cargas nos elementos

32 Junção PN O diodo semicondutor é constituído basicamente por uma junção PN Junção PN

33

34 Na fronteira, elétrons livres completam as lacunas; Formação de íons positivos e negativos; Criação de uma DDP que impede novas combinações: BARREIRA DE POTENCIAL Também conhecida como zona de depleção ou de transição.

35 Junção PN Diferença de potencial criada na barreira depotencial.

36 Símbolo elétrico do diodo semicondutor.

37 Polarização direta da junção PN Os portadores são empurrados em direção ao cristal oposto; Intensa redução da barreira de potencial; Criação de uma alta corrente do cristal N para o P;

38 Polarização inversa da junção PN Os portadores são atraídos pelos pólos da fonte; Favorece o aumento da barreira de potencial; Ausência quase total de corrente nos cristais; Circulação de apenas uma corrente de fuga desprezível.

39 RESUMO Valores típicos de tensão direta: Silício: 0,7V; Germânio: 0,2V.

40 Diodo semicondutor Também comumente chamado de diodo retificador. Também comumente chamado de diodo retificador.

41 Fontes de tensão

42 Fonte de tensão retificadora

43 Retificador de ½ onda

44 Retificador de onda completa

45 Retificador em ponte

46 LED Do inglês: Light Emitter Diode; Toda junção dissipa energia quando conduzindo; Nos diodos retificadores, em forma de radiação infravermelha; Os LEDs irradiam energia em forma de luz pura; Devem ser polarizados diretamente; Tensão direta em torno de 1,5 a 2,5 volts; Tensão inversa em torno dos 4 volts; PROIBITIVO.

47 Transistores

48 Transistores

49 Transistores

50 Transistores

51 Transistores Vc Ve Vb

52 Configurações

53 Amplificador em emissor comum

54 Osciladores

55 Osciladores ansformador Armstrong Arms ong TR

56 Osciladores artley H

57 Osciladores olpitts C

58 Osciladores a cristal Utilizam um cristal piezoelétrico; Geralmente o quartzo; Vibram em uma freqüência de ressonância; Funcionamento idêntico ao tanque LC; Seu uso garante alta estabilidade de freqüência do oscilador.

59 FONTES DE ENERGIA

60 Classificação Componente capaz de gerar uma DDP por meios próprios; Estudaremos 3 tipos básicos: –F–Fontes eletrônicas; –P–Pilhas ou baterias; –D–Dispositivos piezoelétricos.

61 Fontes químicas Formadas pela combinação de diferentes materiais; Esta combinação converte energia química em elétrica;

62 Pilha Formada pela combinação de: Ex. de eletrodos: zinco e cobre; O eletrólito pode ser ácido ou alcalino; Pode ser também líquido ou pastoso: –U–Um par de eletrodos metálicos diferentes; –C–Composto químico condutor (ELETRÓLITO); –L–Líquido: PILHA ÚMIDA; –P–Pastoso: PILHA SECA; Também conhecida como célula química; Conexão de várias células: BATERIA. Classificadas em PRIMÁRIAS e SECUNDÁRIAS.

63 Pilha Eletrólito Eletrodos

64 Princípio de funcionamento Um deles perde elétrons para o eletrólito; Dessa forma: –U–Um eletrodo fica carregado negativamente; –O–O outro, positivamente. Há uma reação química dos eletrodos com o eletrólito; O outro ganha elétrons do eletrólito;

65 Pilhas primárias Não devem ser reutilizadas; Devem ser retiradas com o fim do uso: –R–Risco de vazamento do eletrtólito. Não podem ser recarregadas;

66 Pilhas secundárias –U–Usar somente água destilada. São recarregáveis; Carga semelhante à de um capacitor; Na recarga é produzido gás H e O; Por isto a água das pilhas deve ser reposta; A mesma não deve conter impurezas:

67 Exemplos de pilhas É o tipo mais comum e mais comercializado; É um dos tipos mais antigos de pilha seca; Usa uma haste de carbono num cilindro de zinco; Tensão nominal na ordem de 1,5V. Zinco-carbono

68 É uma pilha seca secundária; Usa o óxido de cádmio e hidróxido de níquel; Única bateria seca acumuladora de reação química reversível; Isto lhe permite várias recargas; É encapsulada em vários formatos. Níquel-cádmio

69 É uma pilha primária; Usa o hidróxido de potássio como eletrólito; Tem eletrodos de dióxido de manganês e zinco; Possui a mesma construção da zinco-carbono; Porém, possui maior vida útil; Tensão nominal de 1,5V. Alcalina

70 Recarregável, composta por células de chumbo; As células são unidas por separadores: Bateria chumbo-ácido –M–Madeira porosa; –M–Madeira perfurada; –F–Fibra de vidro. Placas positivas: PERÓXIDO DE CHUMBO; Placas negativas: CHUMBO POROSO OU ESPONJOSO; Eletrólito: solução de água e ácido sulfúrico;

71 Exemplos de pilhas Uso mais comum em automóveis e aeronaves; Bateria chumbo-ácido Recarregadas por alternadores ou similares; Também desprendem gases O e H; Ou seja, também necessitam de água destilada.

72 Fontes Eletrônicas Conversores e reguladores de energia elétrica;

73 Inversores Geram tensão AC a partir de uma fonte DC; Largamente empregados nas aeronaves; Utiliza osciladores; Pode ainda utilizar amplificadores; Existem os que utilizam motores CC.

74 Fontes lineares São as mais utilizadas (eliminadores de pilha); Seu componente básico é o Ckt. Retificador.

75 Retificador de ½ onda VR = Vp. 0,318 VR = Vef. 0,45 Indicados para correntes de carga de até 30mA.

76 Retificador de onda completa (CT) VR = Vp. 0,636 VR = Vef. 0,9

77 Retificador de onda completa (PT) VR = Vp. 0,636 VR = Vef. 0,9

78 Filtros de tensão Reduzem o nível de variação do CKT retificador; O mais simples e mais utilizado: 1 capacitor; Baseado em suas constantes de carga e descarga; Tais constantes geram uma rampa; Em conseqüência, reduz-se a oscilação (RIPPLE):

79 O ripple é calculado com o FATOR DE RIPPLE(r); Também através daPORCENTAGEM DE ONDULAÇÃO; Quanto mais sensível a carga, menor deve ser o fator de ripple ou a porcentagem de ondulação: Er = tensão pico-a-pico do ripple; Vdc = tensão média constante da carga.


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