9355 tecnologia dos_semicondutores___componentes

449 visualizações

Publicada em

...

Publicada em: Engenharia
0 comentários
0 gostaram
Estatísticas
Notas
  • Seja o primeiro a comentar

  • Seja a primeira pessoa a gostar disto

Sem downloads
Visualizações
Visualizações totais
449
No SlideShare
0
A partir de incorporações
0
Número de incorporações
3
Ações
Compartilhamentos
0
Downloads
15
Comentários
0
Gostaram
0
Incorporações 0
Nenhuma incorporação

Nenhuma nota no slide

9355 tecnologia dos_semicondutores___componentes

  1. 1. COMUNIDADE EUROPEIA Fundo Social Europeu 9355 MOPPESSCEPRA/11 Centro de Formação Profissional da Reparação Automóvel
  2. 2. Tecnologia dos Semicondutores – Componentes Referências Colecção Formação Modular Automóvel Título do Módulo Tecnologia dos Semicondutores – Componentes Coordenação Técnico-Pedagógica CEPRA – Centro de Formação Profissional da Reparação Automóvel Departamento Técnico Pedagógico Direcção Editorial CEPRA – Direcção Autor CEPRA – Desenvolvimento Curricular Maquetagem CEPRA – Núcleo de Apoio Gráfico Propriedade Instituto de Emprego e Formação Profissional Av. José Malhoa, 11 - 1000 Lisboa 1ª Edição Portugal, Lisboa, Fevereiro de 2000 Depósito Legal 148441/00 “Produção apoiada pelo Programa Operacional Formação Profissional e Emprego, cofinanciado pelo Estado Português, e pela União Europeia, através do FSE” “Ministério de Trabalho e da Solidariedade – Secretaria de Estado do Emprego e Formação” © Copyright, 2000 Todos os direitos reservados IEFP
  3. 3. Tecnologia semicondutores – Componentes E.1 Índice ÍNDICE DOCUMENTOS DE ENTRADA ÍNDICE......................................................................................................E.1 OBJECTIVOS GERAIS DO MÓDULO.....................................................E.5 OBJECTIVOS ESPECÍFICOS..................................................................E.5 PRÉ - REQUISITOS .................................................................................E.7 CORPO DO MÓDULO INTRODUÇÃO.......................................................................................... 0.1 1 -SEMICONDUTORES ........................................................................... 1.1 1.1 -ESTRUTURA BÁSICA DOS SEMICONDUTORES.................................. 1.1 1.2 -SEMICONDUTORES DOPADOS OU EXTRÍNSECOS............................ 1.5 2 - A JUNÇÃO "PN"................................................................................. 2.1 2.1 -JUNÇÃO PN. FUNCIONAMENTO............................................................ 2.1 2.2 -JUNÇÃO PN "POLARIZADA DIRECTAMENTE....................................... 2.4 2.3 -JUNÇÃO PN "POLARIZADA INVERSAMENTE....................................... 2.7 2.4 -O DÍODO ................................................................................................... 2.8 2.5 -CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS DUMA JUNÇÃO "PN"................... 2.12 2.6 -TIPOS DE DÍODOS................................................................................. 2.17 2.6.1 -DÍODO EMISSOR DE LUZ - LED .......................................................2.17 2.6.2 –DÍODO EMISSOR DE LUZ-LED.........................................................2.17 2.6.3 -FOTODÍODOS.....................................................................................2.19
  4. 4. Tecnologia semicondutores – ComponentesE.2 Índice 2.6.4 -DÍODO FOTOVOLTÁICO....................................................................2.20 2.6.5 -DÍODO ZENNER .................................................................................2.22 2.7 -DÍODOS DE POTÊNCIA......................................................................... 2.28 2.7.1 -RECTIFICAÇÃO DE MEIA ONDA.......................................................2.28 2.7.2.1 -RECTIFICAÇÃO DE ONDA COMPPLETA COM DÍODOS ...2.30 2.7.2.2 -RECTIFICAÇÃO DE ONDA COMPPLETA COM DÍODOS MONTADOS EM PONTE (PONTE RECTIFICADORA).......2.32 2.7.2.3 –ESTABILIZAÇÃO E REGULAÇÃO ........................... 2.35 3 -TRANSÍSTOR ...................................................................................... 3.1 3.1 –INTRODUÇÃO.......................................................................................... 3.1 3.2 -PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DO TRANSÍSTOR .......................... 3.3 3.3 -TIPOS DE TRANSÍSTORES................................................................... 3.11 3.3.1 -TRANSÍSTORES DE POTÊNCIA........................................................3.12 3.3. 2 -CODIFICAÇÃO DE TRANSÍSTORES ................................................3.13 3.3. 3 -SIMBOLOGIA DE TRANSÍSTORES ..................................................3.16 3.4 -MONTAGENS COM TRANSÍSTORES................................................... 3.17 3.4.1 -REGULADORES ELETRÓNICOS DE CARGA DE BATERIAS ..........3.17 3.4.2 -IGNIÇÃO TRANSÍSTORIZADA...........................................................3.21 3.4.3 -DETECTOR DE SONOLÊNCIA...........................................................3.23 3.5 -APLICAÇÕES PRÁTICAS COM TRANSÍSTORES................................ 3.27 3.5.1 -TÉCNICA DE IMPULSOS ...................................................................3.27 3.5.2 -CIRCUITO MONOESTÁVEL ...............................................................3.29 3.5.3 -CIRCUITO ASTÁVEL ..........................................................................3.35 3.5.4 -CIRCUITO BIESTÁVEL.......................................................................3.39 3.5.5 -FONTES DE ALIMENTAÇÃO ESTABILIZADAS.................................3.41 3.5.6 - A MONTAGEM DARLINGTON...........................................................3.43 3.6 -CIRCUITOS BÁSICOS AMPLIFICADORES E TRANSÍSTORES .......... 3.44
  5. 5. Tecnologia semicondutores – Componentes E.3 Índice 4 -OUTROS TIPOS DE TRANSÍSTORES ................................................4.1 4.1 - O TRANSÍSTOR DE UNIJUNÇÃO, UJT ..................................................4.1 4.2 -TRANSÍSTOR DE EFEITO DE CAMPO (FET) .........................................4.5 4.3 -FOTOTRANSÍSTOR..................................................................................4.7 5 -TIRÍSTORES.........................................................................................5.1 5.1 -CARACTERÍSTICAS DO TIRISTOR.........................................................5.3 5.1.1 -TIPOS DE DISPARO DO TIRISTOR .................................................... 5.4 5.2 -OUTRAS CARACTERÍSTICAS .................................................................5.5 5.2.1 -CARACTERÍSTICA INVERSA .............................................................. 5.5 5.2.2 -CARACTERÍSTICA DIRECTA SEM CORRENTE DE GATE................ 5.6 5.2.3 -CARACTERÍSTICA DIRECTA COM CORRENTE DE GATE ............... 5.6 5.2.4 -ESQUEMA EQUIVALENTE DO TIRÍSTOR .......................................... 5.6 5.3 -TIRISTOR GTO..........................................................................................5.7 5.4 -APLICAÇÕES PRÁTICAS COM TIRÍSTORES.........................................5.7 5.4.1 -FUNCIONAMENTO BÁSICO EM CORRENTE CONTÍNUA ................. 5.8 5.4.2 -FUNCIONAMENTO BÁSICO EM CORRENTE ALTERNADA ............ 5.11 5.4.3 -DISPARO DA GATE DO TIRISTOR POR MEIO DE SENSORES...... 5.14 5.4.3.1 -DISPARO POR LUZ ............................................................. 5.15 5.4.3.2 -DISPARO POR CORRENTE DO CORPO HUMANO........... 5.16 5.4.3.3 -CARREGADOR DE BATERIAS DE 12V 5A ......................... 5.17 5.4.3.4 -SENSOR ESTROBÓSCOPICO PARA ACERTO DO PONTO DE IGNIÇÃO DO MOTOR................................ 5.18 5.5 -CARACTERÍSTICAS DO TIRÍSTOR .......................................................5.19 BIBLIOGRAFIA........................................................................................ C.1
  6. 6. Tecnologia semicondutores – ComponentesE.4 Índice DOCUMENTOS DE SAÍDA PÓS-TESTE..............................................................................................S.1 CORRIGENDA DO PÓS - TESTE.........................................................S.12 ANEXOS EXERCICIOS PRÁTICOS ........................................................................A.1 CORRIGENDA DOS EXERCICIOS PRÁTICOS......................................A.2
  7. 7. Tecnologia dos Semicondutores – Componentes E.1 Objectivos Gerais e Específicos do Módulo OBJECTIVOS GERAIS E ESPECÍFICOS No final deste módulo, o formando deverá ser capaz de: OBJECTIVOS GERAIS Identificar as partículas da matéria e as suas propriedades semicondu- toras, bem como definir com grande clareza todos os componentes electrónicos mais usuais na industria automóvel OBJECTIVOS ESPECÍFICOS 1. Com base na constituição da matéria atómica, identificar os ele- mentos atómicos que melhor se ajustam ao fabrico de componen- tes electrónicos semicondutores. 2. Descrever como se processa com toda a clareza o mecanismo da corrente eléctrica neste tipo de materiais. 3. Enumerar quais os materiais usados para misturar com semicondu- tores por forma que estes sejam considerados de semicondutores dopados. 4. Face às técnicas de dopagem de semicondutores, identificar num díodo ou transístor, quais as pastilhas tipo N e tipo P e qual o tipo de elementos que se combinam com os semicondutores por forma a obtermos semicondutores destes tipos.
  8. 8. Tecnologia dos Semicondutores – ComponentesE.2 Objectivos Gerais e Específicos do Módulo 5. Especificar com grande rigor, qual a constituição dum díodo e qual o seu comportamento quando funciona, polarizado directamente e indirectamente. 6. Distinguir um díodo convencional de um díodo de Zenner, e qual aquele que se adapta mais como rectificador de corrente alternada e como regulador de tensão. 7. Descrever o significado de tensão de Zenner, exemplificando num circuito de regulação de tensão, o componente que tem como fun- ção servir-se deste tipo de tensão. 8. Descrever o funcionamento duma junção NPN ou PNP a que damos o nome de transístor 9. Identificar, num circuito electrónico, os componentes semiconduto- res díodos e transístores. 10. Descrever o funcionamento de circuitos electrónicos como circuito mono estável, astável e biestável, enumerando as suas aplica- ções na área automóvel. 11. Identificar num circuito electrónico, um transístor e compreender a sua função. 12. Descrever o funcionamento do tirístor, especificando algumas possíveis aplicações práticas no automóvel.
  9. 9. Tecnologia dos semi – condutores componentes E.3 Pré-Requisitos COLECÇÃO Desenho Técnico M atemát ica (cálculo) Fí sica, Quí mica e M ateriais Organização Of icinal FORMAÇÃO MODULAR AUTOMÓVEL Circ. Integrados, M icrocontrolador es e M icroprocessado res Rede de Ar Comp. e M anut enção de Ferramentas Pneumáticas Sistemas Elect rónicos Diesel Caracterí sticas e Funcionament o dos M otores Focagem de Faróis Lâmpadas, Faróis e Farolins Sistemas de Arrefeciment o Sistemas de Sobrealimentação Rede Eléctrica e M anut enção de Ferramentas Eléct ricas Sistemas de Injecção M ecânica Diagnóst ico/ Repa- ração em Sistemas M ecânicos Convencionais Int rodução ao Automóvel Diagnóstico e Rep. de Avarias no Sist ema de Suspensão Unidades Elect rónicas de Comando, Sensores e Actuadores Sistemas de Inf ormação Sistemas de Segurança Passivos Sistemas de Direcção M ecânica e Assist ida Sistemas de Transmissão Sistemas de Conforto e Segurança Embraiagem e Caixa de V elocidades Noções Básicas de Soldadura M etrologia Órgãos da Suspensão e seu Funcionament o Geometria de Direcção Análise de Gases de Escape e Opacidade Processos de Furação, Roscagem e M andrilagem Gases Carburant es e Combust ão Módulo em estudo Noções de M ecânica Aut omóvel para GPL Const it uição e Funcionament o do Equipamento Com- versor para GPL Legislação Especí fica sobre GPL Diagnóst ico/ Repa- ração em Sist emas com Gestão Electrónica Diagnósico/ Repar ação em Sistemas Eléct ricos Convencionais Rodas e Pneus Pré-Requisito Ferramentas de M ont agem e Desmont agem Termodinâmica M anut enção Programada Processos de Traçagem e Puncionament o Processos de Cort e e Desbast e LEGENDA Emissões Poluent es e Disposit ivos de Controlo das Emissões Sistemas de Segurança Activa Sistemas de Travagem Antibloqueio Sistemas de Injecção Geridas Electronicament e V entilação Forçada e Ar Condicionado Sistemas de Travagem Hidráulicos M agnetismo e Electromagnetism o - M otores e Geradores Sistemas de Carga e Arranque Const rução da Inst alação Eléctrica Lubrificação de M otores e Transmissão Alimentação Diesel Sistemas de Alimentação por Carburador Leitura e Int erpret ação de Esquemas Eléct ricos Auto Distribuição Sistema Eléct rico e sua Simbologia Electricidade Básica Sistemas de Aviso Acúst icos e Luminosos Sistemas de Ignição Sistemas de Comunicação Tecnologia dos Semi-Condutores - Component es Cálculo e Curvas Caract erí sticas do M otor Sistemas de Admissão e Escape Tipos de Baterias e sua M anut enção PRÉ-REQUISITOS
  10. 10. A electrónica está a impor-se definitivamente nos automóveis actuais, sendo a grande responsável pelo enorme desenvolvimento tecnológico das ultimas décadas. Os materiais semicondutores e o aparecimento do transístor trouxeram novas potencia- lidades à humanidade. Estes materiais e componentes electrónicos permitem-nos hoje, construir máquinas mais pequenas, mais leves e sobretudo mais potentes e fiáveis. Para termos uma ideia, um computador com as características de um vulgar computa- dor pessoal moderno, nas décadas de 50 e 60, ocupava o espaço de uma sala. Chegamos a um ponto em que praticamente todos os sistemas do automóvel são geri- dos electronicamente. Esta tecnologia requer técnicos altamente especializados sobretudo com grande capaci- dade de aceitação de mudança. Neste módulo vamos estudar o princípio de funcionamento dos componentes electróni- cos e a sua aplicação nos sistemas do automóvel.
  11. 11. Tecnologia dos Semicondutores – Componentes 1.1 Semicondutores 1 – SEMICONDUTORES Actualmente, os semicondutores são indispensáveis para a elaboração de circuitos electrónicos. Desde os simples díodos aos microprocessadores, as suas capacidades são enormes. Sem fugir à regra, a sua aplicação no automóvel tornou-se comum. Assim, é necessário que qualquer técnico do ramo automóvel se inteire do seu princípio de funcionamento e das suas potencialidades. 1.1 – ESTRUTURA BÁSICA DOS SEMICONDUTORES - SEMICONDUTORES INTRÍNSECOS Os electrões giram em torno do núcleo do átomo, em órbitas mais ou menos bem definidas e distintas. Estas órbitas encontram-se a dife- rentes distâncias do núcleo do áto- mo, tornando-se possível agrupá-las em camadas distintas, que se encontram umas sobre as outras, assemelhando-se às sucessivas cascas de uma cebola. Graficamente, representamos esta situação como se mostra na Fig. 1.2. No que diz respeito ao que vamos estudar a seguir, interessa-nos ape- nas considerar a última camada ou camada exterior. Fig. 1.1 – Órbitas efectuados pelos electrões num átomo Fig. 1.2 – Representação gráfica das várias órbitas de átomo de um elemento
  12. 12. Tecnologia dos Semicondutores – Componentes1.2 Semicondutores Os materiais que são constituídos por átomos que facilmente recebem e libertam elec- trões, quando sujeitos a uma fonte de electrões, são bons condutores. Este fenómeno verifica-se nos materiais cujos átomos possuam menos de quatro elec- trões numa camada exterior. Os materiais que são constituídos por átomos que dificilmente acei- tam ou cedem electrões, quando sujeitos a uma diferença de poten- cial, são maus condutores. Este fenómeno verifica-se nos materiais cujos átomos possuam mais de quatro electrões na cama- da exterior. Os átomos têm tendência para se ligarem uns aos outros, formando moléculas de maté- ria elementar ou compostos. Fig. 1.3 - Representação gráfica das várias órbi- tas de átomo de um elemento mau con- dutor Fig. 1.4 - Em determinadas matérias, como por exemplo na maioria dos sólidos natu- rais, os átomos e as moléculas têm tendência para se agruparem em gru- pos estáveis, formando uma cadeia bastante coesa
  13. 13. Tecnologia dos Semicondutores – Componentes 1.3 Semicondutores Para um mesmo tipo de matéria, os electrões da camada exterior de um átomo, mistu- ram-se com os electrões das camadas exteriores dos átomos vizinhos, de modo a par- tilharem das órbitas das camadas exteriores desses átomos. A este tipo de entrelaçamento dá-se o nome de ligação covalente. Em muitos casos, os átomos e as moléculas formam estruturas semelhantes à que se ilustra ao lado. Quando as substâncias apresentam estas características, designam-se por substân- cias cristalinas ou cristais. A matéria assim constituída não é mais do que o agrupamento destes cristais, que se unem uns aos outros de modo que, num volume mínimo, caibam o maior número pos- sível de cristais. Fig. 1.5 – Ligação covalente Fig. 1.6 – Estrutura cristalina
  14. 14. Tecnologia dos Semicondutores – Componentes1.4 Semicondutores Imagine como é que iria agrupar esferas, todas ao mesmo tamanho, de modo a ocupa- rem o volume mínimo. Os bons condutores de electricidade, tais como o cobre e o alumínio, são materiais que são constituídos por um aglomerado de cristais. Tal como os bons condutores, os semicondutores são construídos a partir de substâncias formadas de cristais. Os materiais básicos mais utilizados para o fabrico de semicondutores são o germânio e o silício, possuindo cada um deles 4 electrões na última camada. Fig. 1.7 – Aglomerado de cristais de dois bons condutores – Alumínio e Cobre Fig. 1.8 – Átomos de Silício e Germânio
  15. 15. Tecnologia dos Semicondutores – Componentes 1.5 Semicondutores No estado puro, os cristais de germânio e silício são maus condutores (isolantes). 1.2 – SEMICONDUTORES DOPADOS OU EXTRÍNSECOS No cristal de silício, os electrões da camada exterior de cada átomo misturam-se com os electrões das camadas exteriores dos outros átomos de silício, de modo a partilharem das órbitas exteriores desses átomos. Assim, cada átomo passa a dispor de oito elec- trões na sua camada exterior, como se mostra na Fig. 1.10. Mas, com esta configuração, não existem electrões livres que permitam a condução eléctrica. Fig. 1.9 – Os semicondutores puros são maus condutores Fig. 1.10 – Ligações covalentes entre átomos de Silício
  16. 16. Tecnologia dos Semicondutores – Componentes1.6 Semicondutores Até este momento só foram considerados os semicondutores puros ou intrínsecos. Os cristais de silício ou germânio puros não têm aplicação prática, sendo o seu compor- tamento dependente da temperatura de funcionamento. Para tornar o cristal puro num semicondutor, é necessário juntar uma porção de ele- mentos diferentes ao silício e ao germânio. A estes elementos dá-se o nome de impure- zas. A operação de adição de impurezas tem o nome de dopagem. O semicondutor dopado é, também, designado como semicondutor extrínseco. A concentração de impurezas auxiliares é normalmente fraca dependendo da aplicação prática do semicondutor. Para se dopar um semicondutor utilizam-se dois tipos de impurezas: Elementos contendo cinco electrões de valência, tais como o fósforo e o antimónio. Elementos contendo três electrões de valência, tais como o boro, o gálio e o índio; Fig. 1.11 – Representação dos átomos de fósforo e antimónio
  17. 17. Tecnologia dos Semicondutores – Componentes 1.7 Semicondutores A adição de elementos com cinco electrões de valência, leva a que o cristal fique com um excesso de electrões na sua estrutura cristalina. Estes electrões comportam-se como electrões livres, tornando o cristal num semicondutor. Todo o cristal que é constituído que é dopado com elementos com cinco electrões de valência possuindo assim electrões livres, é denominado material do tipo N (N negativo) ou semicondutor tipo N. A adição de elementos com três electrões de valência ao silício, ocasiona falta de elec- trões na estrutura cristalina. Fig. 1.12 – Representação dos átomos de boro e índio Boro Índio Fig. 1.13 – Electrão livre na ligação covalente
  18. 18. Tecnologia dos Semicondutores – Componentes1.8 Semicondutores Fica assim um lugar por ocupar na interligação dos átomos. Ao lugar que falta ocupar, dá-se o nome de lacuna. Esta lacuna pode-se considerar como uma carga eléctrica positiva. Todo o material que é construído desta maneira e tenha electrões a menos na sua estru- tura cristalina, é denominado material do tipo P (P-positivo) ou semicondutor tipo P. Para que compreenda melhor como se efectua o deslocamento de uma lacu- na, imagine que um indiví- duo chega tarde ao cinema e que apenas existe um lugar vago no centro de uma fila. Para que o indivíduo possa ocupar o seu lugar, basta pedir a cada ocupante que se desloque para a direita (Fig. 1.15), correspondendo assim ao deslocamento do lugar na direcção do indiví- duo. Fig. 1.14 – Lacuna na ligação covalente Fig. 1.15 - Analogia entre o deslocamento de uma lacuna e o de um lugar livre no cinema
  19. 19. Tecnologia dos Semicondutores – Componentes 1.9 Semicondutores Considerando que a lacuna é um portador de uma carga positiva (+) da mesma manei- ra que um electrão é um portador de uma carga (-). A lacuna pode deslocar-se de um átomo para o outro, como um electrão (Fig. 1.16). Ligando uma fonte de alimentação, como por exemplo uma pilha, ao material semicon- dutor do tipo P, verificar-se-á o seguinte... Fig. 1.16 - Deslocamento da lacuna entre átomos Fig. 1.17 – Deslocamento de uma lacuna entre átomos Fig. 1.18 – Ligação de um semicondutor tipo P a uma pilha
  20. 20. Tecnologia dos Semicondutores – Componentes1.10 Semicondutores ... O borne positivo da pilha atrai os electrões (-) do semicondutor (cargas de sinal con- trário atraem-se) e, da mesma maneira, o borne negativo (-) da pilha repele os elec- trões. Deste modo, liberta-se um electrão de ligação covalente, que se irá deslocar para a esquerda para o borne positivo (+) que vai substituir uma das lacunas da vizinhança do borne. Este deslocamento de um electrão deixa uma lacuna em sua substituição. A lacuna estando carregada positivamente, deslocar-se-á para a direita, para o borne negativo (-) da pilha. Este processo repete-se e a lacuna continuará a deslocar-se para a direita, até que atinge a vizinhança da ligação negativa da pilha. Nesta altura, a lacuna será substituída por um electrão que deixa o fio que está ligado ao borne negativo da pilha e o fio está ligado ao borne positivo da pilha, removerá um electrão à outra extremidade do semicondutor. O processo volta a repetir-se sucessivamente. 1 4 2 5 3 6 Fig. 1.18 – Deslocamento da lacuna ao longo do semicondutor
  21. 21. Tecnologia dos Semicondutores – Componentes 1.11 Semicondutores Esta remoção contínua das lacunas do borne positivo (+) para o borne negativo (-) oca- siona (uma corrente de cargas positivas) num material do tipo P e produz-se quando a tensão da pilha obriga os electrões a moverem-se na ligação covalente. Nota: Este movimento das lacunas não se produz senão no interior do semicondutor, enquanto que o fluxo de electrões circula na totalidade do circuito. Ligando uma fonte de alimentação como por exemplo uma pilha, ao material do tipo N, gerar-se-á uma corrente de electrões. Esta corrente é devida ao movimento dos elec- trões livres em excesso, existentes no material semicondutor. Como pode aperceber-se, este comportamento é muito parecido com o que se passa num fio de cobre. Fig. 1.19 – Corrente de lacunas e corrente de electrões num material tipo P Fig. 1.20 - Corrente de electrões num material tipo N
  22. 22. Tecnologia dos Semicondutores – Componentes 2.1 A Junção “PN” 2 – A JUNÇÃO “PN” Todos os componentes semicondutores são baseados em junções “PN”, por tal facto, é muito importante compreender o que é uma junção “PN” e como encontrar as suas pro- priedades. Se aplicarmos um potencial através de um cristal semicondutor, Tipo P ou N, este deixa- se atravessar por uma corrente eléctrica, se invertermos a polaridade do potencial apli- cado, obteremos uma corrente eléctrica no sentido inverso da primeira. Suponhamos, que temos um pedaço de material semicondutor no qual a parte da esquerda é do Tipo P, e o da direita e do Tipo N, e que lhe aplicamos um potencial entre os dois extremos, com este arranjo verificamos que entre o Tipo P e o Tipo N existe uma região de contacto onde se verificam alguns fenómenos importantes, isto é, uma deter- minada direcção da corrente eléctrica, esta região apresenta uma baixa resistência e quando se inverte o sentido da corrente, ao trocarmos a polaridade de potencial aplica- do, ao trocarmos a polaridade de potencial aplicado, apresenta uma muito alta resistên- cia. Á região de transição chama-se junção PN. 2.1 – JUNÇÃO PN. FUNCIONAMENTO Consideremos um semicondutor Tipo N, por exemplo, o silício. Cada átomo de silício é formado por uma parte central com um excesso de carga (+4) quatro electrões de valên- cia cada um dos quais com uma carga de (-1). Este átomo de silício está electricamente neutro. Cada átomo dador tem uma central com excesso de carga de (+5) cinco electrões de valência cada um dos quais com uma carga (-1). Só quatro destes electrões de valência são usadas em ligações com os átomos de silí- cio. O quinto electrão fica livre para vaguear no material. Como ele se movimenta longe do átomo dador deixa ficar para trás um ião positivo com um excesso de carga (+1). O ião positivo não mudará de posição, permanecerá portanto imóvel, pois fica fixo na estrutura cristalina.
  23. 23. Tecnologia dos Semicondutores – Componentes2.2 A Junção “PN” Deste modo um semicondutor Tipo N fica cheio de iões positivos imóveis (ião dador) e electrão móveis (cargas negativas). De modo semelhante, o silício Tipo P pode ser considerado como u material neutro cheio de iões negativos imóveis (ião aceitador) e lacunas móveis (cargas positivas). O semicondutor do Tipo N é geralmente de silício injectado com fósforo, enquanto que o semicondutor do Tipo P é de silício injectado com boro. Consideremos, então, o que acontece quando amostras de material Tipo P e Tipo N se juntam uma à outra formando um cristal com estrutura contínua. Como se mostra na figura 2.2.Na região Tipo P existe uma alta concentração de lacunas havendo, portanto, uma movimentação de lacunas da região P para a região N. Fig.2.1 – Concentração de carga eléctrica nos semicondutores dopados do Tipo P e Tipo N Parte central do átomo Lacuna Ião aceitador Electrão em excesso Ião dador _ +
  24. 24. Tecnologia dos Semicondutores – Componentes 2.3 A Junção “PN” Recordando que na região Tipo P, as lacunas são portadoras maioritárias,, quando se difundem para dentro da região Tipo N tornam-se portadores minoritários (os electrões livres são nesta região Tipo N os portadores maioritários). Como as lacunas se difundem para dentro da região Tipo N, elas recombinam-se com os portadores maioritários, os electrões livres. Existirá, igualmente uma difusão de electrões livres da região Tipo N para a região Tipo P, porque há uma mais alta concentração de electrões livres na região Tipo N do que na região tipo P. Ao atingirem a região Tipo P, os electrões livres tornam-se portadores maioritários em excesso e desaparecem por recombinação com as lacunas (portadores maioritários da região Tipo P). Fig.2.2 – Reparação simbólica duma junção PN com a região de depleção Região de DepleçãoP N
  25. 25. Tecnologia dos Semicondutores – Componentes2.4 A Junção “PN” Pode parecer, eventualmente, que todas as lacunas deverão defundir-se para a região tipo N e que todos os electrões livres deverão difundir-se para a região Tipo P, porém, tal não acontece. Só os portadores maioritários que se encontram perto da região da junção irão difundir- se. Recordar, que o material tipo P possui iões negativos imóveis e lacunas móveis. Quando as lacunas próximas da junção de difundirem para dentro da região N, elas dei- xam ficar para trás um ião negativo. A região Tipo P não será mais electricamente neutra – tem mais cargas negativas do que cargas positivas, devido a Ter perdido lacunas. Por sua vez, a região Tipo N próxima da junção torna-se positivamente carregada, por- que perdem electrões. Os electrões livres difundindo-se da região Tipo N para a região Tipo P deixarão fica para trás iões positivos na região Tipo N. A difusão de portadores maioritários de cada região resulta no aparecimento de uma zona saturada na qual deixa de haver futuras difusões estabelecendo-se uma situação de equilíbrio. Pelo facto desta região Ter muito poucas cargas móveis restantes, é chamada como se vê na figura 2.2 de região de repleção. 2.2 – JUNÇÃO PN “POLARIDADE DIRECTAMENTE” Uma tensão de polaridade é aplicada a uma junção PN ligando o terminal positivo da bateria ao material Tipo P e negativo ao material Tipo N, como se indica na figura 2.3. ( A resistência R serve como limitadora de corrente) Fig.2.3 – Polarização directa de junção PN
  26. 26. Tecnologia dos Semicondutores – Componentes 2.5 A Junção “PN” A polaridade negativa da pilha ao ser aplicada ao semicondutor do Tipo N, irá repelir das proximidades do terminal negativo (-) os electrões do semicondutor do Tipo P, irá repelir das proximidades do terminal (+) as lacunas do semicondutor do Tipo P, Ver figura 2.4. A movimentação de cargas eléctricas ao longo da junção PN vai causar a redução da região de depleção. Os electrões e as lacunas aproximar-se-ão da junção dos dois semicondutores. Os electrões livres, como estão proximos das lacunas, atravessarão a junção, indo ocu- par o lugar das lacunas e as lacunas o lugar dos electrões diminuindo assim a região de depleção, como se apresenta na figura 2.5. Fig.2.4 – Transmissão de cargas eléctricas ao longo da jnção PN Fig.2.5 – Trocas de electrões e lacunas na junção PN
  27. 27. Tecnologia dos Semicondutores – Componentes2.6 A Junção “PN” Os electrões, depois de passarem à junção, dirigir-se-ão para o borne positivo da pilha, completamente e criando assim uma corrente de electrões que irá circulart ao longo do circuito, enquanto a pilha estiver aplicada aos terminais da junção PN, ver figura 2.6. Desta forma, quando se aplica uma tensão a uma junção, de modo que a polaridade positiva da pilha fique aplicada no semicondutor Tipo P e a negativa ao semicondutor do Tipo N, diz-se que o semicondutor está polarizado directamente (polarização directa), figura 2.7. Fig.2.6 – Sentidos das correntes electrónicas e de lacunas Fig.2.7 – Junção PN polarizada directamente
  28. 28. Tecnologia dos Semicondutores – Componentes 2.7 A Junção “PN” 2.3 – JUNÇÃO PN “POLARIZADA INVERSAMENTE” Quando uma fonte de tensão é aplicada a uma junção como se mostra na figura 2.8, a jun- ção diz-se estar “inversamente polarizada”. O terminal positivo está ligado ao material Tipo N e o terminal negativo ao material Tipo P. Com a junção polarizada desta forma, os electrões livres do material Tipo N são atraídos para o terminal positivo e as lacunas para o terminal negativo. Os portadores maioritários são puxados para longe da junção e deste modo mais os iões positivos e iões negativos ficam a descoberto, como se mostra a figura 2.9. Fig.2.8 – Junção PN polarizada inversamente Fig.2.9 – Comportamento das cargas eléctricas quando a junção se apresenta polarizada inversamente Polarizado Inversamente
  29. 29. Tecnologia dos Semicondutores – Componentes2.8 A Junção “PN” Como se pode constatar, a região de depelação sai aumentada. Basta uma pequena tensão inversa, para parar completamente a difusão de portadores maioritários e consequentemente tornar a circulação de corrente nula. 2.4 – O DÍODO Até agora temos estudado somente um modelo que damos o nome de junção PN. A junção PN é utilizada para a construção de díodos. Díodos são completamente electrónicos semicondutores que têm grande número de apli- cações. Quando estão montados em circuitos eléctricos, umas vezes são polarizados directa- mente e outras vezes indirectamente os díodos comportam-se, assim, como válvulas que só deixam circular uma corrente num só sentido. Isto torna bastante viável o uso do díodo em “transformação” de correntes alternadas em correntes contínuas. Um díodo é constituído pela junção de dois semicondutores um do Tipo P e outro do Tipo N. Fig.2.10 – Constituição interna dum díodo
  30. 30. Tecnologia dos Semicondutores – Componentes 2.9 A Junção “PN” O díodo é ligado ao circuito eléctrico através de dois terminais de ligação que se cha- mam respectivamente ânodo e cátodo. Como já foi referido, os díodos são dispositivos electrónicos que têm por finalidade permitir que a corrente eléctrica passe num úni- co sentido. O símbolo esquemático do díodo é o representado na figura 2.11 indicando, a esta, o sentido con- trário ao deslocamento dos elec- trões. Aqui vê-se igualmente a correspondência dos terminais de ligação respectivamente ânodo (A) e cátodo (K). Por analogia, resolvemos comparar o papel dum díodo num circuito, como uma válvula montada num cano de água. A figura 2.12 representa um cano com uma válvula que só deixa passar a água num dos sentidos. Fig.2.11 – Díodo Sentido contrário ao da deslocação dos electrões Fig.2.12 – Analogia do funcionamento do díodo com uma válvula Válvula de paleta Cano
  31. 31. Tecnologia dos Semicondutores – Componentes2.10 A Junção “PN” Quando a água circula no sentido indicado pelas setas a válvula deixa-a passar. Se o sentido de circulação da água se inverter, a válvula de paleta vem para baixo e, ao encontrar-se com o batente, fecha a conduta e o líquido deixa de circular, como se veri- fica pela figura 2.13. Na comparação atrás feita, o sentido de circulação da água corresponde ao da corrente eléctrica e a válvula corresponde ao díodo. O díodo tem a função de permitir a passagem de corrente num sentido, bloqueando a sua passagem no sentido inverso. Fig.2.13 – A válvula bloqueia o fluxo de corrente quando o sentido se inverte Fig.2.14 – Símbolo eléctrico do díodo e sentido do flu- xo electrónico qundo polarizado directa- mente Sentido de deslocação dos electrões
  32. 32. Tecnologia dos Semicondutores – Componentes 2.11 A Junção “PN” Faça a montagem indicada pela figura 2.15. Uma vez que o díodo está directamente polarizado, a corrente passará segundo o senti- do fazendo com que a lâmpada acenda. Fazendo agora a montagem indicada na figura 2.16. Fig.2.15 – Circuito eléctrico simples com o uso de um díodo Fig.2.16 – Quando o díodo é polarizado inversamente apresenta uma resis- tência eléctrica muito elevada comportando-se como um circuito aberto fazendo com a lâmpada não acenda.
  33. 33. Tecnologia dos Semicondutores – Componentes2.12 A Junção “PN” Como o ânodo está agora a um potencial negativo em relação ao cátodo, a corrente não circula, comportando-se o díodo como um interruptor aberto fazendo. Com que o circuito esteja igualmente aberto não circulando qualquer corrente. Os díodos podem apresentar-se com variados aspectos, como se pode ver na figura 2.17. 2.5 – CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS DUMA JUNÇÃO PN Foram referidos até agora algumas características de funcionamento duma junção sujeita a diferentes tipos de polarização. Vamos agora estudar mais algumas propriedades tomando como referencia a curva característica da figura 2.18. Fig.2.17 – Aspecto exterior de vários tipos de díodos Fig.2.18 – Curva característica típica tensão – corrente para uma dada junção PN T. Ambiente Alta Temperatura
  34. 34. Tecnologia dos Semicondutores – Componentes 2.13 A Junção “PN” A análise da figura 2.18, permite-nos concluir que o aumento do valor da tensão directa aplicada à junção, a partir de zero, só um ligeiro fluxo de corrente directa Atravessa a junção, até se atingir um certo valor de tensão directa, a partir do qual esta entra francamente em condução, a). A corrente aumenta rapidamente para uma pequena variação de tensão (a resistência directa de junção torna-se baixa). Na direcção inversa, quando aplicamos uma tensão da polarização inversa, a corrente inversa de saturação mantém praticamente constante, assumindo valores muito baixos b). A resistência inversa da junção torna-se muito alta, até ser atingido um determinado valor limite de tensão denominado por tensão Inversa de Rotura (num díodo normal 20V). A inversão das ligações num circuito (e a consequente inversão da sua polarização), pode originar anomalias de funcionamento, podendo destruir elementos desse circuito inclusivamente o próprio díodo. Quando se polariza um díodo em sentido inverso, na realidade ele é atravessado por uma corrente extremamente fraca. Essa corrente é tão pequena, que somente com um microamperimetro (aparelho que detecta correntes mais pequenas que o ampere) é possível detectá-la. Se aumentar a tensão de polarização inversa, acima do valor para o qual o díodo foi pre- visto, vai haver uma altura a partir da qual, a resistência do díodo diminui rapidamente, dando lugar a um aumento de corrente muito brusco irá danificar o díodo. Por esse motivo, verifique sempre qual é a tensão inversa que se prevê que o díodo pode suportar. Outro aspecto importante que se deve Ter em consideração, é a corrente máxima que o díodo pode suportar sem se deteriorar, quando polarizado directamente. Como sabe, quando uma corrente percorre um circuito, os seus componentes aquecem (efeito de joule). Quando o díodo está polarizado directamente, a corrente que o atravessa, obriga-o a aquecer. Para atenuar este efeito, os díodos que estão sujeitos à passagem de corrente intensas, são constituídos de modo a serem montados sobre placas metálicas, nomeadamente em alumínio, que têm a função de dissipar o calor.
  35. 35. Tecnologia dos Semicondutores – Componentes2.14 A Junção “PN” A maioria dos fabricantes, gravam no corpo do díodo letras identificadoras do ânodo e do cátodo, o seu símbolo esquemático ou mais usualmente uma lista branca indicadora do cátodo do díodo como se apresenta na figura 2.19. Quando os díodos só possuem um terminal de ligação, isso quer dizer que a carcaça do díodo corresponde ao outro terminal de ligação. Por vezes, a carcaça do díodo tem um perno roscado. Este tipo de díodos destinam-se a serem montados sobre placas metálicas, que t~em por função dissipar o calor que se produz quando estão em funciona- mento. Fig.2.19 – Indicação dos terminais cátodo e ânodo do dío- do através duma barra geralmente pintado a branco do lado do cátodo Fig.2.20 – Configuração dos terminais de díodo com invólucros metálicos roscados Fig.2.21 – Díodo com dissipador Placa dissipadora de calor Terminal Terminal de liogação
  36. 36. Tecnologia dos Semicondutores – Componentes 2.15 A Junção “PN” Nota: As placas dissipadoras de calor são boas condutoras de calor e de electricidade. É por este motivo que se pode fazer a ligação de um fio condutor à chapa e o terminal de teste funcionar como um segundo terminal do díodo. Quando estudar a rectificação das corrente, nos alternadores, irá verificar que na mes- ma placa de dissipação são instalados vários díodos que possuem um ânodo ou cátodo comum. As propriedades duma junção PN estão dependentes de alguns factores condicionan- tes: Natureza do material semicondutor Se observarmos as curvas características quer do silício, quer do germânio como se apresenta na figura 2.22. Verificamos que o valor da corrente inversa de saturação b) é muito menor para a jun- ção semicondutora a silício do que para o germânio, logo, conclui-se que esta depende de natureza do material intrínseco, em igualdade de outros factores, por isso as junções de silício serem usadas em componentes que podem trabalhar a temperaturas mais elevadas. Fig.2.22 – Curva característica tensão–corrente do díodo de silicio compa- rativamente ao díodo de germânio
  37. 37. Tecnologia dos Semicondutores – Componentes2.16 A Junção “PN” Em circuitos ligados a grandes potências, onde circulam fortes correntes eléctricas, são geralmente utilizadas díodos ou componentes feitos de silício. O germânio devido igualmente ao seu custo mais elevado é utilizado em menor escala do que o silício. O germânio tem uma utilização muito grande em telecomunicações, em sistemas de comando e sensores bastantes sensíveis. Este tipo de semicondutores dita geralmente o preço do equipamento em questão. Dopagem da região Tipo N e Tipo P Para o mesmo material, quanto maior for a dopagem em ambos as regiões maior será o efeito rectificador de junção, aumentando a corrente directa e diminuindo a corrente inversa de saturação, em igualdade de tensões aplicadas. A largura da zona de depleção é tanto menor quanto maior for as dopagens de ambas as regiões. Quando as regiões Tipo N e Tipo P possuem desigualdade de dopagens, a zona de depleção estende-se para a região menos dopada. Dimensão da Superfície da junção Esta superfície da junção determina a corrente directa máxima admissível pela junção sem que as perdas for feito de joule provoque o aumento de temperatura. Situação analoga se passa quando fazemos passar por um fio com uma secção peque- na, uma corrente bastante elevada o fio irá aquecer. Quanto maior for a dimensão, sobretudo de secção de superfície de junção, maior será a corrente nominal aceitável pelo díodo.
  38. 38. Tecnologia dos Semicondutores – Componentes 2.17 A Junção “PN” Temperatura da junção A temperatura é um dos limites mais determinantes das propriedades duma junção dum díodo que afecta fundamentalmente a característica de rectificação podendo provocar a distribuição do díodo, caso a temperatura seja elevada. Pelo contrário, a temperatura muito baixas não haverá condução em qualquer dos senti- dos. 2.6 – TIPOS DE DÍODOS Nos capítulos atrás, falamos, sobretudo em díodos cujas junções semicondutoras eram dopadas com materiais diferentes. O semicondutor do Tipo N é geralmente silício dopado com fósforo enquanto que o semi- condutor do Tipo P é de silício dopado com boro. Existem outros tipos de díodos onde os materiais semicondutores são dopados com outro tipo de substâncias, conforme a função que estão destinados. 2.6.2 – DÍODO EMISSOR DE LUZ – LED O díodo emissor de luz (light emisson diode – led) é um díodo com a particularidade de acender quando percorrido por uma corrente eléctrica no sentido directo. Polarizada inversamente, ele não acende. Isto acontece, porque o díodo, sendo constituído por duas junções uma do Tipo P e outra do Tipo N, a dopagem usada nos semicondutores LED é diferente da dopagem descrita noutros capítulos. Quando os portadores de carga electrão – lacuna se recombinam, uma quantidade de energia é gerada. Esta energia pode aparecer de diversas formas, uma das quais é a de emissão de luz.
  39. 39. Tecnologia dos Semicondutores – Componentes2.18 A Junção “PN” Este feito é utilizado no díodo emissor de luz, o qual é uma junção PN especial, polariza- da no sentido directo. A luz emitida é essencialmente monocromática, e o comprimento de onda depende do material usado. Um led pode emitir luz no comprimento de onda na gama dos infravermelhos, ultraviole- tas e até na gama visível pela nossa visão. Na prática os compostos intermetálicas fornecem a melhor emissão de luz. O arsenieto da gálio dopado com zinco fornece uma saída luminosa em infravermelhos. O fosforeto de gálio dopado com silício e zinco fornece uma luz verde e o fosforeto de gálio dopado com oxigénio e zinco fornece uma luz vermelha. Só o título informativo fica com a ideia de que para um díodo emissor de luz típico de arsenieto de gálio as dimensões da pastilha de junção é de 1,270 microns quadrados sendo a luz emitida pelo topo da superfície da pastilha. Com a polaridade de cerca de 1 volt e corrente de 100 mA, a luz de saída é de cerca de 50 w de potência luminosa à temperatura ambiente. Em desenvolvimentos ruentes, a pastilha plana foi substituída por uma pastilha em forma de abóboda, para evitar reflexões de luz internas dando assim maior eficiência à missão de luz. Fig.2.23 – Símbolo do díodo – LED
  40. 40. Tecnologia dos Semicondutores – Componentes 2.19 A Junção “PN” 2.6.3 – FOTODÍODOS Quando a luz incide numa junção PN, a energia luminosa absorvida pela estrutura cristali- na do díodo aumenta o nível de energia dos electrões. Isto provoca a quebra de ligações dos electrões aos seus átomos, criando novos electrões livres e novas lacunas. No díodo fotocondutor, uma tensão é aplicada à junção PN e os electrões e lacunas cria- das próximo da junção pela energia luminosa são atraídas em direcção aposta, resultante uma corrente que fluirá através do díodo, sendo esta corrente proporcional à intensidade luminosa. Pode parecer que este tipo de díodo não tenha viabilidade prática mas ao contrário do que se possa pensar de inicio este díodo tem grande aplicação em sistemas fotoelectri- cos, sensores de luminosidade e dentro da industria automóvel Em sensores de medição de quantidade de combustível existente no depósito. Fig.2.24 – Fotodíodo em corte Ligação do cátodo Luz Fio de arame Semicondutor Ligação do ânodo Envólucro
  41. 41. Tecnologia dos Semicondutores – Componentes2.20 A Junção “PN” Num depósito de gasolina ou gás (GPL) tem de existir um método eléctrico ou electrónico que seja de tal forma hermético por forma a não criar a ignição do combustível no próprio depósito. Existe normalmente um sistema que funciona por meios fotoelectricos como se apresenta na figura seguinte, figura 2.25. Ao diminuir o nível de combustível no interior do depósito faz deslocar por meio das várias alavancas a barra a) opaca de modo a tapar o fluxo luminoso do led emissor de luz para os fotodiodos que compõem os três sensores. Este sensor pode operar no ambiente interior do depósito pois não existe nenhum con- tacto que possa ocasionar alguma disrupção e consequentemente a combustão de todo o combustível do depósito. 2.6.4 – DÍODO FOTOVOLTAICO No díodo fotovoltaico nenhuma tensão de polarização é aplicada ao díodo, e desta forma não existirá queda de tensão através da junção PN, permitindo o aparecimento de uma barreira de potencial (zona de deflação) como vimos anteriormente. Fig.2.25 – Sistema de medição da quantidade de gasolina existente no depósito Sensor 1 Sensor 2 Sensor 3
  42. 42. Tecnologia dos Semicondutores – Componentes 2.21 A Junção “PN” Quando a luz iniciada sobre a junção, a densidade dos portadores difundidos através da junção irá aumentar. Se a região de um dos lados da junção for produzida muito fina, ela pode tornar-se rapidamente saturada com os portadores, e então, uma diferença de potencial será cria- da através da junção, e uma corrente irá fluir através de uma resistência externa ligada aos terminais do componente. O exemplo mais comum de um díodo fotovoltaico é a célula solar, a qual converte a energia recebida do sol em energia eléctrica. Este díodo é largamente usado em satélites como fonte de energia para a alimentação do equipamento electrónico. Fig.2.26 – Díodo fotovoltaico Caixa SemiconsdutoresLente Luz Saída Caixa Lente Luz Saída
  43. 43. Tecnologia dos Semicondutores – Componentes2.22 A Junção “PN” Num satélite de comunicações os painéis fotovoltaicos são expostos à luz solar durante o dia carregando as baterias do próprio satélite e de noite os painéis não Não funcionam dando lugar à descarga sobre todo o equipamento electrónico compo- nente do satélite. No automóvel já vai começando a ser bastante utilizado o painel solar com vista na cons- trução dum automóvel futuro mas ecológico. O díodo fotovoltaico é o mais caro de todos os díodos o que torna, pelo menos no momento, impensável economicamente a construção dum automóvel cuja fonte de ali- mentação sejam os painéis solares fotovoltaicos. Num satélite de comunicações, as peças mais caras são efectivamente os painéis sola- res de alimentação ao próprio satélite. 2.6.5 – DÍODO DE ZENER Em condições normais de funcionamento, quando aplicamos uma tensão inversa a uma junção por forma a esta ficar polarizada inversamente, verificamos que ela não conduz corrente eléctrica. Assim, o díodo está polarizado comportando-se como um circuito aberto, não conduzindo corrente eléctrica. Se elevarmos a tensão inversa ao díodo, chegamos a uma situação que o díodo atinge o valor de tensão inver- sa de rotura começando a conduzir corrente eléctrica progressivamente até ao ponto de se auto destruir. Existem díodos, que graças à dopa- gem utilizada nas junções Tipo P e Tipo N permitem o seu funcionamento permanente em polarização inversa. Este tipo de díodos tem o nome de díodo de zener. Fig.2.27 – Curva característica do dío- do de zener Zona de polariza- ção inversa
  44. 44. Tecnologia dos Semicondutores – Componentes 2.23 A Junção “PN” Como se apresenta na figura 2.27 o díodo de zener destina-se a explorar a parte do grá- fico assinalada como zona de polarização inversa. Os gráficos a) e b) da figura 2.28 representam o comportamento de dois díodos de zener a) díodo de zener de 4 V; b) díodo de zener de 30 V. O díodo de zener é um componente electrónico semelhante ao díodo, possuindo tam- bém dois terminais de ligação. O seu símbolo esquemático é representado na figura 2.29. Fig.2.28 – Tipos de curvas características tensão-corrente em polarização inversa I inv. I inv. V inv. V inv. Fig.2.29 – Símbolo do díodo de zener Sentido contrário ao da deslocação dos electrões
  45. 45. Tecnologia dos Semicondutores – Componentes2.24 A Junção “PN” O funcionamento do díodo de zener podes ser comparado a uma válvula montada na secção dum cano de água como se apresenta nas figuras seguintes. A figura 2.30 representa um cano no qual está montada uma válvula de paleta com o eixo na parte de cima e um batente na parte de baixo. Sobre a válvula de paleta existe uma outra válvula que se encontra fechada pela acção duma mola. Quando a água circula no sentido indicado pela figura, a válvula da paleta abre e deixa passar o líquido. Um díodo de zener, quando polarizado directamente, comporta-se de um modo seme- lhante ao do circuito hidráulico indicado anteriormente ou seja: em polarização directa o díodo de zener funciona como um díodo vulgar. Fig.2.30 – Analogia do díodo zener a uma válvula hidráulica Fig.2.31 – Díodo de zener em polarização directa Sentido de deslocação dos electrões
  46. 46. Tecnologia dos Semicondutores – Componentes 2.25 A Junção “PN” Se o sentido de circulação da água se inverte, a válvula de paleta encosta-se ao baten- te e fecha o cano, impedindo o líquido de circular, como se apresenta na figura 2.32. Um díodo de zender quando polarizado inversamente e desde que a tensão de polari- zação não ultrapasse um determinado valor, comporta-se de um modo semelhante ao do circuito hidráulico assinalado no bloco anterior. Ao valor da tensão de polarização inversa à qual do díodo de zener se torna condutor chama-se tensão de zener. Quando neste caso o díodo de zener se torna condutor dá-se uma repentina queda de resistência entre os seus terminais e consequentemente, um aumento de corrente. Fig.2.32 – Analogia dum díodo de zener com uma vál- vula de paleta com segurança Fig. 2.33 – Díodo de zener polarizado inversamente A corrente não passa
  47. 47. Tecnologia dos Semicondutores – Componentes2.26 A Junção “PN” Perante pequenas variações de tensão em torno do valor da tensão de zener, ocorrem grandes variações de corrente, que podem repetir-se um sem número de Vezes, sem que o valor máximo da corrente não ultra- passe aquela para que o díodo de zener foi projec- tada. A utilizada do díodo de zener reside na aplicação do efeito da tensão de zener. As características dos díodos de zener são indicados nos manuais dos fabricantes. Na figura 2.35 encontramos um tipo de díodo de zener e as seguintes características do mesmo díodo catalogadas pelo fabricante. As características dos díodos de zener são indicados nos manuais dos fabricantes. Fig.2.34 –. Variação de corrente num díodo de zener Fig.2.35 – Exemplo dum díodo de zener com todas as suas características de funcio- namento dadas pelo fabricante Diodo de Zeuner de Silicio BZT 03/C... Aplicação: Reguladores de Tensio de média potência Prestação máxima Potência dissipada I = 10 mm, TL = 25ºC PV 3,25 W Tamb = 25ºC PV 1,3 W Potência dissipada quando sujeito a picos repetidos de corrente PZRM 10 W Potência dissipada quando sujeito a picos não repetidos de corrente PZSM 600 W Temperatura junção Tj 175 ºC Intervalo de temperatura de bom funcionamento Tstg -65.... 175 ºC Características Tj = 25 ºC Voltagem directa VF 1,2 V IF = 0,5 A Cátodo Dimensões em mm
  48. 48. Tecnologia dos Semicondutores – Componentes 2.27 A Junção “PN” Os díodos de zener devem ser usados, tendo sempre em conta as suas características específicas. Os díodos de zener tem larga aplicação na industria electrónica especificamente na área de alimentação, mais concretamete em sistemas de estabilização e regulação de tensão. Todos os reguladores de tensão possuem díodos de zener com base em regularem a tensão na aparelhagem ligada, posteriormente ao regulados. A figura seguinte, apresenta-se um circuito simples com o objectivo de regular a tensão na linha segundo a tensão dita de zener, figura 2.36. Estando aplicada uma tensão contínua de 12 [V] aos terminais de entrada (Vin) do circuito, esta tensão polariza o díodo de zener inversamente até ao valor de tensão de zener de 6 [V]. Até se atingir a tensão V2 = 6 [V] o díodo não conduz nenhuma corrente. A partir deste valor, até se atingir o valor de Vin = 12 [V] o díodo se zener passa a conduzir uma determinada corrente fazendo com que a tensão de saída (Volt) seja regulada nos 6 [V] não danificando nenhum componente que se encontra a jusante do díodo de zener. Fig.2.36 – Regulação duma tensão por meio dum díodo de zener
  49. 49. Tecnologia dos Semicondutores – Componentes2.28 A Junção “PN” 2.7 – DÍODOS DE POTENCIA RECTIFICAÇÃO E REGULAÇÃO A principal aplicação dos díodos de potência são em circuitos rectificadores conver- tendo tensões alternadas em tensões contínuas. Iremos descrever de seguida o papel dos díodos de potência como rectificamos num cir- cuito conversor de corrente alternada em corrente contínua. Há, pelo menos duas maneiras de rectificar uma tensão alternada: Rectificação de meia onda. Rectificação de onda completa. 2.7.1 – RECTIFICAÇÃO DE MEIA ONDA Quando ligamos um díodo em série com uma fonte de corrente alternada como por exemplo um transformador eléctrico verificamos que o díodo rectifica a tensão alternada como se apresenta na figura 2.37. Fig.2.37 – Rectificação de meia onda Diodo Fonte CA
  50. 50. Tecnologia dos Semicondutores – Componentes 2.29 A Junção “PN” Pelo que estudamos anteriormente, verificamos que o díodo ao ser percorrido pela for- ma de onda que se apresenta em figura 2.38 vai sendo constantemente polarizado directamente pelas alternâncias positivas a) e polarizado inversamente pelas alternân- cias negativas b). Como o díodo rectificado não conduz corrente eléctrica quando polarizado inversamente ele só vai conduzir durante os periodos das alternâncias positivas sendo a resistência R percorrida por uma corrente com uma forma de onda semelhante a da figura 2.39. Fig.2.38 – Tensão alternada sinusoidal em S Fig.2.39 – Tensão rectificada em R
  51. 51. Tecnologia dos Semicondutores – Componentes2.30 A Junção “PN” 2.7.2.1 – RECTIFICAÇÃO DE ONDA COMPLETA COM DÍODOS Atendendo ao circuito da figura 2.40 verificamos que a sinunoide características de ten- são e corrente atravessam o transformador mantendo a mesma forma de onda diferido apenas a amplitude em consequência da relação de transformação do transformador. A sinusoide da figura 2.41 percorre os dois díodos em simultâneo. O díodo D1 conduz a primeira alternância positiva uma vez que está polarizado direc- tamente, o díodo D2, por sua vez, está a funcionar ao corte não conduzindo corrente porque está inversamente polarizado. Fig.2.41 – Tensão alternada sinusoidal em S Fig.2.40 – Circuito eléctrico rectificador de onda completa Transformador Fonte CA Díodo Resistência Díodo
  52. 52. Tecnologia dos Semicondutores – Componentes 2.31 A Junção “PN” Na alternância negativa o díodo D1 encontra-se ao corte deixando de conduzir corrente eléctrica mas díodos D2 uma vez que passa a estar polarizado directamente, passa à condução. Como os dois díodos estão ligados ao mesmo ponto da resistência R, contribuem os dois para a forma de onda final que atravessa a resistência. Esta forma de onda apresenta-se na figura 2.42. Este tipo de rectificação é relativamente pouco utilizado pois necessita sempre dum transformador de ponto médio por forma a garantir a ligação dos dois díodos, figura 2.43. Fig.2.42 – Forma de onda de tensão rectificada em R Fig.2.43 – Circuito eléctrico de rectificação de onda com- pleta utilizando um transformador de ponto médio
  53. 53. Tecnologia dos Semicondutores – Componentes2.32 A Junção “PN” 2.7.2.2 – RECTIFICAÇÃO DE ONDA COMPLETA COM DÍODOS MONTADOS EM PONTE (PONTE RECTIFICADORA) Este tipo de rectificação é muito semelhante ao tipo descrito no ponto anterior e é actualmente o sistema de rectificação mais usual em electrónica. A montagem dos díodos está disposto de tal forma que constitui uma fonte. Normalmente denomina-se de fonte rectificadora e para que o circuito funcione devi- damente todos os díodos terão de possuir características iguais ou equivalentes. Aos terminais de saída do transformador verificamos a presente duma tensão alterna- da como se apresenta na figura 2.45. Fig.2.44 – Circuito eléctrico de rectificação usando uma ponte de díodos ou ponte rectificadora Fig.2.45 – Forma de onda de tensão alterna- da medida em S
  54. 54. Tecnologia dos Semicondutores – Componentes 2.33 A Junção “PN” Durante as alternâncias positivas só entram em condução de corrente eléctrica dois díodos que se encontram, na ponte, polarizadas directamente, como se apresenta na figura 2.46 na saída da ponte de rectificação de um alternador. Somente os díodos d1 e d2 conduzem estando os restantes polarizados inversamente não se encontram portanto à condução. Por sua vez, durante as alternâncias negativas só entram em condução os díodos D3 e D4 pois são os únicos que se encontram polarizados directamente perante esta cor- rente (negativa). Observe a figura 2.47. Fig. 2.46 – Funcionamento da ponte rectificadora nas alternâncias positivas Fig.2 47 – Funcionamento da ponte rectificadora nas alternâncias negativas
  55. 55. Tecnologia dos Semicondutores – Componentes2.34 A Junção “PN” Veja que o sentido da corrente muda somente antes de aingir a ponte rectificadora. A resistência R é percorrida por uma tensão rectificada em onda completa tal como se representa na figura 2.48. As pontes rectificadora podem existir nos circuitos concebidos por quadros díodos de potência, figura 2.49. Por outro lado, existem no mer- cada pontes rectificadoras já feitas e integradas numa só cai- xa como se demonstra pela figura 2.50. Fig.2.48 – Forma de onda de tensão rectificada aos terminais da bateria Fig.2.49 – Montagem de díodo em ponte Fig.2.50 – Ponte rectificadora integrada
  56. 56. Tecnologia dos Semicondutores – Componentes 2.35 A Junção “PN” 2.7.2.3 – ESTABILIZAÇÃO E REGULAÇÃO Como foi visto, no ponto anterior, a forma de onda que obtemos à saída da ponte rectifi- cadora é uma corrente contínua como se mostra na figura 2.48. Por forma a tornar a forma de onda o mais contínua possível introduzimos o condensador C de maneira a que o ripple seja atenuado, figura 2.52. O condensador C armazena uma certa quantidade de energia à medida que a corrente o atravessa atenuando assim os “vales” da forma de onda da figura 2.48. Quanto maior for a capacidade de C maior será a linearidade da forma de onda. Fig.2.51 – Circuito eléctrico de rectificação, estabilização e regulação de tensão Fig.2.52 – Tensão aos terminais do condensador C
  57. 57. Tecnologia dos Semicondutores – Componentes2.36 A Junção “PN” Quanto menor for a capacidade de C menor será a linearidade da forma de onda. Quando colocamos o díodo de zener verifica-se que a tensão de saída desta fonte de alimentação fica regulada nos 6 [V] passando a forma de onda a Ter uma amplitude infe- rior a forma de onda anterior, como se observa na forma de onde c) da figura 2.53. a) Maior valor capacitivo em C b) Manor valor capacitivo em C c) Com díodo de zener de 6 [ V ] incluído no circuito Fig.2.53
  58. 58. Tecnologia dos Semicondutores – Componentes 3.1 Transístor 3 – TRANSÍSTOR 3.1 – INTRODUÇÃO A atenção dedicada aos semicondutores ficou mais alrgada quando em 1948, W. Smock- ley, J. Bardeen e W. M. Brattain inventaram o transistor. O transístor de contacto pontual foi o primeiro tipo a ser fabricado, com grande aplicação em pequenos amplificadores de audio, em próteses auditivas e receptores de rádio por- táteis. Um dos problemas do transístor de contacto pontual consiste em que hoje não se com- preende claramente a maneira como funciona sendo portanto difícil conceber transísto- res deste tipo adaptados às diversas aplicações. A figura 3.1 mostra a maneira como é constituído um transístor de contacto pontual, e o modo como pode ser utilizado para amplificar um sinal de corrente alternada. Fig.3.1 – Tipos de transístores
  59. 59. Tecnologia dos Semicondutores – Componentes3.2 Transístor Neste transístor, os fios de contacto em ouro do emissor e do colector são ligados à pastilha de germânio a uma distância de apenas 0,1 mm um do outro. Se bem que tenha sido descoberto u pouco mais tarde do que o transístor de contacto pontual, o transístor de junções é hoje o mais utilizado dadas as suas muitas vanta- gens. Em particular, é bastante menos ruidoso, mais pequeno, melhor segurança de funcio- namento e mais simples de fabricar que o tipo de contacto pontual. Além disso, a maneira como funciona é já claramente compreendida, podendo os tran- sístores ser concebidos para aplicações particulares. Existe um certo número de materiais semicondutores bons para o fabrico de transísto- res. Os mais importantes serão provavelmente o silício (Si), o germânio (Ge) e o arsenito de gálio (GaAs). Os primeiros transístores utilizavam germânio fundamentalmente dado que é fácil de trabalhar e pode ser obtido em forma pura. Outra vantagem deste material é que necessita apenas de uma baixa tensão directa, e dado que os electrões e lacunas se movimentam facilmente no seu interior os dispositi- vos podem funcionar a maiores frequências do que os fabricantes com outros materiais semicondutores. Fig.3.2 – Transístor de contactos pontuais Emissor (contacto pontual em fio de ouro) Colector (contacto pon- tual em fio de ouro) Resistência de carga
  60. 60. Tecnologia dos Semicondutores – Componentes 3.3 Transístor Infelizmente, só é útil a temperaturas inferiores a 100ºC. Os transístores, se bem que já tenha sido necessário algum tempo para desenvolver métodos de produção de material de alta qualidade e de seu tratamento. No entanto, o silício, hoje, é o material mais utilizado no fabrico dos díodos comerciais, transístores e circuitos integrados. Uma sua grande vantagem relativamente ao germânio é que pode funcionar a temperatu- ras até 200ºC. No entanto, a qualidade de funcionamento a alta frequência não é tão boa como no caso do germânio. Entre os novos materiais semicondutores, o mais prometedor é o arsenito de gálio. Está-se actualmente a desenvolver a sua qualidade cristalina e os métodos de fabrico, e este material adquirirá certamente uma grande importância dentro de pouco tempo fun- damentalmente no fabrico de lasers. O arseníto de gálio permite temperaturas de traba- lho até 300ºC, juntamente com uma qualidade de trabalho a alta frequência semelhante à do germânio. 3.2 – PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DO TRANSISTOR O transístor é o semicondutor fabricado utilizado placas de material semicondutor. Uma placa de material de Tipo P obtendo-se um transístor PNP, podendo-se igualmente inserir uma placa de Tipo P entre placas do Tipo N obtendo-se um transístor NPN. No transístor existem duas junções, sendo o controlo realizado por um sinal aplicado a uma determinada secção do transístor.
  61. 61. Tecnologia dos Semicondutores – Componentes3.4 Transístor Atendendo à constituição dum díodo, um transístor é constituído, juntamen- te um segundo elemento semicondu- tor do Tipo P ou do Tipo N, ao conjun- to de junção PN utilizado nos díodos. Verifica-se assim que, enquanto o díodo somente possui uma zona de junção, o transístor possui duas zonas de junção. Tal como foi visto no capítulo respei- tante aos díodos, existem dois tipos de pastilhas semicondutoras, do Tipo P e do Tipo N, é possível construí- rem-se dois tipos de transístores: PNP e NPN, ver figura 3.4. Cada uma das três placas condutores que constituem um transístor, possui um terminal de ligação designando-se por: Fig.3.3 – Junção PN no díodo e jun- ção do transístor Fig.3.4 – Transístores do tipo PNP e NPN E – Emissor; C – Colector; B – Base Fig.3.5 – Terminais do transístor Emissor, o elemento que fornece o fluxo de electrões ou lacunas ao tran- Colector, o elemento para o qual os electrões ou lacunas fluem. Base, o elemento central ou contro- lador. Junção Transístor Junção Junção
  62. 62. Tecnologia dos Semicondutores – Componentes 3.5 Transístor No transmissor os semicondutores são dispostos de modo que o emissor e o colector estejam muito perto um do outro. Como se verá mais adiante, isto desti- na-se a que a maior parte das lacunas ou electrões que se dirigem para a base, passem facilmente para o colec- tor por causa da velocidade de que estão animados. O material semicondutor que constitui a base dos transístores tem menos impurezas que os materiais semicondutores que constituem o emissor e o colector. Para explicar como funciona um transístor, vamos escolher um transístor do tipo NPN, ligado a duas pilhas do modo indicado na figura ao lado. Os interruptores A e B, nesta primeira fase estão abertos e portanto, não circula corrente. Fig.3.6 – Constituição do transístor Fig.3.7 – Distribuição das impurezas (+) e (-) pelas placas condutoras Anel Bese Emissor Colector Cápsula
  63. 63. Tecnologia dos Semicondutores – Componentes3.6 Transístor As resistências R1 e R2 irão servir como limitadoras de corrente. Fechando o interruptor A e mantendo o interruptor B aberto, a polaridade negativa da pilha ao ser aplicada ao emissor (semicondutor tipo N) repele os electrões do semicondutor do tipo N em direcção à base, enquanto que a polaridade aplicada à base (semicondutor do tipo P) irá repelir as lacunas do semicondutor do tipo P. Deste modo, os electrões e as lacunas, aproximar-se-ão da junção, recombinando-se e dando assim origem a uma corrente de electrões que irá circular ao longo do circuito. Esta situação corresponde à de um díodo em polarização directa. Como comparativamente, a base (semicondutor do tipo P) tem menos impurezas (menos lacunas) que o número de electrões livres existentes no emissor (semicondutor do tipo N), nem todos os electrões existentes no emissor se recombinam com as lacu- nas. Fig.3.8 – Circuito de polarização do transístor no estado aberto Fig.3.9 – Polarização directa da junção NP (emissor-base)
  64. 64. Tecnologia dos Semicondutores – Componentes 3.7 Transístor Quer isto dizer que a corrente de electrões que circula no circuito de polarização directa (emissor, base) é muito pequena. Se agora fechar o interruptor B, a segunda junção fica inversamente polarizada e os electrões do emissor que não se permutarem com as lacunas da base, são atraídos para o colector que está a um potencial positivo. Devido à pequena espessura da base e à velocidade de que os electrões ficam animados, estes atravessam a base e, ao chegarem à extremidade do colector escapam-se pelo terminal condutor retornando ao gerador de origem. Quando aplicar as polaridades correc- tas a um transístor NPN, poderá verifi- car que o sentido das correntes são as indicadas na figura ao lado e que, a corrente que flui para o emissor é a soma das correntes que vêm do colector e da base. Fig.3.10 – Corrente no circuito de polarização directa (emissor-base), NPN Fig.3.11 – Passagem da corrente do emissor para o colector Correntedoemissor Corrente do colector Corrente da Base
  65. 65. Tecnologia dos Semicondutores – Componentes3.8 Transístor A corrente da base representa cerca de 2% da corrente total que circula no circuito. O funcionamento do transístor PNP é idêntico ao do transístor NPN. No entanto, as polaridades aplicadas num transístor PNP terão de ser opostas às utilizadas no transístor NPN. Fechando o interruptor A e mantendo o interruptor B aberto, a polaridade positiva da pilha, ao ser aplicada ao emissor, (semicondutor do tipo P) repele as lacunas do semicondutor do tipo P em direcção à base (semicondutor do tipo N). irá repelir os electrões do semicondu- tor tipo N. Deste modo, os electrões e as lacunas aproximar-se-ão da jun- ção, recombinando-se e dando assim origem a uma corrente de electrões que irá circular ao longo do circuito. Esta situação corresponde à de um díodo em polarização directa. Fig.3.13 – Circuito de polarização do transís- tor PNP no estado aberto Fig.3.14 – Polarização directa da junção PN (emissor-base) Fig.3.12 – Fluxos da corrente de electrões no transístor NPN Corrente de electrões Correntedoemissor Corrente do colector
  66. 66. Tecnologia dos Semicondutores – Componentes 3.9 Transístor Como, comparativamente, a base (semicondutor do tipo N) tem menos impurezas (menos electrões) que o número de lacunas livres existentes no emissor (semicondutor do tipo P), nem todas as lacunas existentes no emissor se recombinam com os elec- trões. Quer isto dizer que a corrente de elec- trões que circula no circuito de polari- zação directa (emissor, base) é muito pequena. Nota: Repare que esta situação é idêntica à que acontece no transístor NPN, diferindo apenas no sentido da corrente, pois neste caso os portadores maioritários são as lacu- nas. Se agora fechar o interruptor B, a segunda junção fica inversamente polarizada e as lacu- nas que não se permutaram com os electrões da base são atraídas para o colector que tem uma polaridade negativa. Devido à pequena espessura de base e à velocidade de que as lacunas ficam animadas, estas atravessam a base e, quando chegarem à extremidade do colector, são permuta- das por electrões que fluem da pilha. Fig.3.15 – Corrente no circuito de polarização directa (emissor-base), PNP Fig.3.16 – Passagem de corrente do emissor para o colector Correntedoemissor Corrente do colector Corrente da Base
  67. 67. Tecnologia dos Semicondutores – Componentes3.10 Transístor Quando aplicar as polaridades correctas a um transístor PNP, poderá verificar que os sentidos das correntes são os indicados na figura ao lado e que a corrente que sai do emissor representa a soma das correntes do colector e da base. Tal como num transístor NPN, a corrente de base representa cerca de 2% da corrente total que circula no circuito. Nota: Note-se que em termos de corrente de electrões, as junções do emissor, base e colector de um transístor PNP, estão invertidas em relação às de um transístor NPN. Para que um transístor funcione correctamente, a primeira junção (emissor, base) deve estar directamente polarizada e a segunda junção (colector, base) inversamente polariza- da. Fig.3.18 – A corrente de electrões do transístor PNP é invertida em relação ao NPN Fig.3.17 – Fluxos da corrente de lacunas no tranistor PNP Corrente de electrões Correntedoemissor Corrente do colector
  68. 68. Tecnologia dos Semicondutores – Componentes 3.11 Transístor A partir destas condições, irá verificar que é possível comandar órgãos eléctricos e elec- tro-mecânicos de grande consumo corrente, por meio de correntes muito pequenas. Estas é uma das aplicações dos transístores, entre muitas outras existentes. 3.3 – TIPOS DE TRANSÍSTORES Os transístores aplicam-se nas mais variadas funções na electrónica. Existem no mercado variados tipos de transístores concebidos e fabricados com base em diferentes funções. É difícil enumerar todas as funções e aplicações dos transístores pois isso levaria a uma explicação bastante exaustiva. Basicamente os transístores podem ser utilizados em pré-amplificadores, circuitos de comando de reflecção de imagem e varrimento de ecrãs de TV, circuitos de comando de canhões electrónicos de cor de TV, circuitos de comutação em computadores e interruptores. Fig.3.19 – Polarização das junções nos transístores PNP e NPN Junção inversamente polarizada Junção directamente polarizada Junção inversamente polarizadaJunção directamente polarizada
  69. 69. Tecnologia dos Semicondutores – Componentes3.12 Transístor De entre as variadas aplicações de transístores, podemos diferenciar dois grandes gru- pos de transístores: 3.3.1 - TRANSÍSTORES DE POTÊNCIA São concebidos em caixas ou pastilhas com dimensões relativamente grandes de modo a suportarem correntes e potências elevadas. As figuras seguintes mostram alguns tipos de transístores de potência. Por outro lado existem transístores de baixa potência constituídos por invólucros mais pequenos destinando-se principalmente a comandarem os transístores de potência. Fig.3.20 – Transístor de potência do tipo NPN com aplicação em circuitos de comando de ignição e comando de injectores em sistemas de injecção MOTRONIC, suporta altos picos de tensão e potências até 10 W. Fig.3.21 – Transístor de potência do tipo NPN com larga aplicação em circuitos de comuta- ção rápida, comanda potências da ordem dos 100 W e encontra-se normalmen- te em fontes de alimentação e carregadores de baterias. Dimensão em mm
  70. 70. Tecnologia dos Semicondutores – Componentes 3.13 Transístor Os fabricantes de transístores apresentam componentes com números de código diferen- tes como se pode constatar pelas figuras anteriores. 3.3.2 – CODIFICAÇÂO DE TRANSÍSTORES O código correspondente ao dispositivo semicondutor consiste em: Duas letras seguidas por um número de série. Exemplo: Fig.3.22 – Transístor de potência do tipo NPN com aplicação geral em comutação de sinais de baixa amplitude e andares amplificado- Dimensão em mm
  71. 71. Tecnologia dos Semicondutores – Componentes3.14 Transístor A primeira letra, neste caso B dá-nos a informação acerca do tipo de material semicondu- tor usado no fabrico do transístor. “A” – Corresponde a todos os díodos ou transístores constituídos com germânico. “B” – Corresponde a todos os dispositivos semicondutores fabricados em silício. “C” – Corresponde a todos os dispositivos semicondutores fabricados em arsenito de gálio. “R” – Corresponde a todos os dispositivos semicondutores fabricados com um composto baseado em cádmio. A Segunda letra indica a função para o transístor deve estar destinado segundo a garan- tia do fabricante. “A” – Díodo: Detecção de sinal, comutação, misturador de sinais. “B” – Díodo: Capacidade variável (valiceptor). “C” – Transístor: Baixa potência, audio frequência. “D” – Transístor: Alta potência, audio frequência. “E” – Díodo: Detecção de sinal. “F” – Transístor: Baixa potência, alta frequência. “G” – Díodo: Oscilador. “H” – Díodo: Sensibilidade magnética. “U” – Transístor: Alta potência, comutação. “X” – Díodo: Multiplicador (usado em triplicadores de tensão em TV). “Y” – Díodo: Rectificador.
  72. 72. Tecnologia dos Semicondutores – Componentes 3.15 Transístor “Z” – Díodo: Regulador de tensão. O número de série consiste em: Três dígitos compreendidos entre 100 e 999 para dispositivos projectados para uso doméstico. Três dígitos compreendidos entre 100 e 999 para dispositivos projectados para uso doméstico. A nomenclatura seguinte difere da anterior e é bastante usual. “IN” – Com dois a quatro dígitos numéricos significa que estamos perante um díodo. “2N” – Com dois a quatro dígitos numéricos significa que estamos perante um transístor. Para que fique com uma ideia mais concreta daquilo que acabou de ser dito, fique-se com o seguinte exemplo: O transístor com a codificação BC 549 corresponde a um transístor constituído basica- mente em silício uma vez que a primeira letra é “B”. A Segunda letra “C” significa que o fabricante garante o bom funcionamento do transístor como comutador. A comutação feita por este transístor não deve ser feita com elevados fluxos de corrente uma vez que o transístor é de baixa potência. Por outro lado, o transístor não serve para funcionar em circuitos que funcionam com altas frequências ajustando-se a frequência muito mais baixas, por exemplo audio fre- quência, limitando o uso do transístor num receptor de rádio ou TV aos andares respon- sáveis pela amplificação ou comutação a baixa frequência.
  73. 73. Tecnologia dos Semicondutores – Componentes3.16 Transístor Dentro da gama de transístores específicos para comutação existem dois subgrupos que dividem os transístores de comutação rápida geralmente aqueles que funcionam predo- minantemente em alta frequência (do inglês High – Switch), e os transístores de comuta- ção lenta (do inglês Low – Switch). 3.3.3 – SIMBOLOGIA DE TRANSÍSTORES Basicamente, existem dois tipos de transístores independentes. Existem transístores de junção NPN e PNP. Atendendo ao seu funcionamento, como já foi referenciado, os transístores NPN e PNP possuem símbologias diferentes. Analogamente aquilo que se passava no capítulo dos díodos, a disposição das pastilhas semicondutoras dá ao transístor um funcionamento distinto e particular. No caso do díodo o símbolo utilizado era: Para o caso dos transístores a símbologia utilizada é: Fig.3.23 – Simbologia de díodos Fig.3.23 – Simbologia de díodos
  74. 74. Tecnologia dos Semicondutores – Componentes 3.17 Transístor 3.4 – MONTAGENS COM TRANSÍSTORES 3.4.1 – REGULADORES ELECTRÒNICOS DE CARGA DE BATERIAS Os técnicos estudaram diversos tipos de reguladores electrónicos com o objectivo de conseguir uma maior capacidade de suporte de calor, a ocupação dum espaço mais limitado e consequentemente o peso, um fabrico mais facilitado e sobretudo a libertação das partes mecânicas que estavam aliadas aos relés que tornavam a vida dos regulado- res bem limitada bem como outros aparelhos eléctricos ligados à ignição como por exemplo os platinados. Os reguladores utilizam básicamente transístores e díodos zener. Na figura 3.25 está representado um circuito que corresponde a um regulador de carga de baterias com cinco transístores e em 3.26 apresenta-se o esquema electrónico cor- respondente. Analisando a figura 3.26 começamos por distinguir, em primeiro lugar, a posição da bateria (1) e o conjunto das bobinas do alternador trifásico (2) ligadas à ponte de díodos rectificadores (3). Também se pode ver no ponto 4 o interruptor de contacto da chave. Fig.3.25 – Constituição interna dum regulador electrónico
  75. 75. Tecnologia dos Semicondutores – Componentes3.18 Transístor O circuito entra em funcionamento quando se estabelece a ligação com a bateria atra- vés do interruptor da chave (4) circulando corrente eléctrica através de todo o circuito. A corrente gerada pela bateria (1) passa através do regulador atravessando em primei- ro lugar, o fusível (F) de protecção polarizando a base do transístor T2 através da resis- tência R1. Neste momento, T2 entra em condução deixando fluir corrente eléctrica que passa do colector para o emissor deste mesmo transístor através da resistência R2. Como conse- quência o transístor T1 entra igualmente em condução permitindo que a bobina DE seja polarizada ligando assim o rotor do alternador que começa a gerar corrente eléctrica para a bateria tomando em conta que o veio rotor do alternador se encontra em movi- mento. Fig.3.26 – Esquema electrónico dum regulador de carga da bateria
  76. 76. Tecnologia dos Semicondutores – Componentes 3.19 Transístor Ao mesmo tempo, a corrente positiva que entra através da resistência R3 permite a polarização do conjunto de transístores (T3 e T4) onde praticamente toda a corrente deste ramo atravessa o transístor T3 comandado pela resistência R7 e pelo díodo de zener que tem como função pilotar a regulação da tensão da bateria. Nestas condições a corrente que circula entre o emissor – colector do transístor T4 é praticamente nula e a corrente de base deste transístor é bastante baixa graças ao conjunto de resistências R4 e R5 e ao potenciómetro (P). Assim o transístor T5 não tem corrente de polarização de base encontrando-se na zona de funcionamento de corte permitindo que a corrente atravesse os transístores T2 e T1 de modo a que o alternador carregue a bateria ligando (DE). Tudo o que foi dito encontra-se documentado na figura 3.27. No momento que a bateria se encontra totalmente carregada aumenta a tensão nos ter- minais do díodo de zener (ZN) como se pode ver na figura 3.28. Fig.3.27 – Regime de carga da bateria
  77. 77. Tecnologia dos Semicondutores – Componentes3.20 Transístor Deste modo, quando a tensão aumenta acima de determinados limites, o díodo de zener entra em condução permitindo a passagem de corrente que irá polarizar o transístor T3. Como este transístor é do tipo PNP, ao receber a polarização positiva na sua base leva a que o transístor entre na zona de funcionamento de corte, bloqueando. Assim o transístor T4 é polarizado entrando à condução, alimentando o transístor T5, que por sua vez põe o transístor T2 ao corte uma vez que a tensão na base de T2 dimi- nui significativamente permitindo que o transístor T1 não conduza nenhuma corrente desligando do circuito a bobina (DE) de excitação do alternador. Quando a tensão da bateria diminui até determinado valor, o díodo de zener (ZN) deixa de conduzir conduzir corrente eléctrica fazendo com que o transístor T3 fique polarizado e por sua vez T4 deixe de conduzir, e assim T5 fica ao corte deixando o transístor polari- zado pela corrente da resistência R1. O transístor T1 é novamente polarizado conduzindo corrente eléctrica para a bobina DE por forma que esta ponha o alternador em funcionamento e carregue novamente a bate- ria. Fig.3.28 – Funcionamento do regulador no regime de bateria totalmente carregada
  78. 78. Tecnologia dos Semicondutores – Componentes 3.21 Transístor 3.4.2 – IGNIÇÂO TRANSISTORIZADA Este tipo de circuitos tem a grande vantagem sobretudo no seu reduzido tamanho em comparação com o sistema de ignição por meio de platinados. Neste momento a electrónica impera já o domínio da ignição dos motores a gasolina exactamente pela razão em cima referida. A figura 3.29 temos representado um esquema dum sistema de ignição simples por transístores. Como se pode ver, o circuito apresenta fundamentalmente três fases de funcionamento determinados por blocos, são eles: Sensor de impulsos (A) Pré – amplificador (B) Amplificador de potência (C) Quando o sensor de impulsos se encontra em posição neutra sem alimentar o transístor T1, ocorre que o transístor de potência (T4) está a trabalhar na zona de funcionamento de condução de corrente que uma vez que a sua base se encontra polarizada positiva- mente, permite a circulação de corrente através da resistência (R1) polarizando o enro- lamento primário da bobina de ignição. Por outro lado, no circuito pré – amplificador, a entrada de corrente pela linha positiva +BAT alimenta a base do transístor (T2) através das resistências (R2) e (R3).
  79. 79. Tecnologia dos Semicondutores – Componentes3.22 Transístor Esta polarização positiva da base de (T2) permite a passagem de corrente desde a resistência (R4) até ao ramo emissor- colector do transístor NPN e o contacto com a massa através da resistência R5. Quando se produz um sinal no sensor de impulsos em (A) com a rotação do veio – son- da, a base do transístor T1 fica polarizado positivamente através da resistência (R6), este transístor funciona agora na zona de condução circulando a corrente através das resistências (R2) e (R5). Por sua vez o transístor T2 encontra-se na zona de corte. O condensador C1 sofre uma descarga positiva que alimenta a base do transístor T3 pon- do-o em condução, circulando neste momento, uma corrente que atravessa R1, passan- do por T3 até à massa. O transístor de potência T4 está na zona de funcionamento de corte não conduzindo corrente entre o seu colector e o seu emissor. Assim o enrolamento primário da bobina de ignição deixa de ser percorrida por corrente eléctrica, sendo este o momento em que se produz indução magnética no enrolamento secundário e consequentemente alta tensão que posteriormente passará ao distribuidor e ás velas de ignição. Fig.3.29 – Esquema electrónico simples de um sistema de ignição B Preamplificador C Amplificador de Potência A Sensor de Implusos
  80. 80. Tecnologia dos Semicondutores – Componentes 3.23 Transístor Quando o impulso positivo dado à base do transístor T1 termina, este transístor entra na zona de funcionamento de corte e todo o sistema toma o funcionamento descrito de inicio. O ciclo continuará quando, de novo, o sensor de impulso detectar a passagem do veio – sonda emitindo um impulso à base do transístor T1 e assim sucessivamente. Os outros componentes tem interesse para o estudo em questão embora possuam um papel secundário. O condensador C2 funciona como um filtro bem como C3 que evitam a geração de interferências geradas pela comutação dos transístores fazendo com que o circuito electrónico trabalhe com deficiências. Por outro lado, este circuito permite demonstrar a grande potencialidade da electrónica que é traduzir um sinal de pequena amplitude como é o caso do sinal detectado pelo sensor de impulsos, num sinal de amplitude superior por forma a comandar um transís- tor de potência que liga ou desliga a bobina de ignição do circuito. O transístor substitui assim o antigo platinado que como peça mecânica possui uma vida muito mais limita- da. 3.4.3 – DETECTOR DE SONOLÊNCIA De modo a conseguir aquilo que se considera a máxima segurança na condução dum veículo, desenvolveu-se um dispositivo electrónico de aviso de situações de alto risco. Para os condutores profissionais, que nem sempre cumprem a norma que diz respeito ao número de horas ao volante, criou-se um sistema electrónico que tem como função avisar o condutor dum modo luminoso e sonoro quando o condutor apresenta o mínimo sintoma de sonolência. Quanto tal acontece, verifica-se através da experiência que os músculos ficam mais distendidos que o normal, sobretudo sobre os músculos das mãos e em consequência a condutividade da corrente eléctrica através das mãos diminui. Com este principio colocou-se duas fitas coladas ao volante, feitas de material condutor onde uma delas é ligada à massa dentro da unidade electrónica.
  81. 81. Tecnologia dos Semicondutores – Componentes3.24 Transístor A figura 3.30 representa o conjunto dos elementos que formam este equipamento elec- trónico. A figura 3.31 representa a dis- posição das fitas metálicas no volante e o respectiva ligação à unidade electrónica. Verifica-se que uma das fitas metálicas é ligada à massa sendo a outra fita o sensor principal do sistema. Fig.3.30 – Conjunto dos sistemas electrónicos que formam o detector de sonolência Ao distribuidor Bobina BuzinaInterruptor de contacto 1 – Sensor muscular; 2 – Sensor muscular; 3 – Cabo de ligação á unidade electrónica; 4 – Cur- sor; 5 – Anel de colector; 6 – Cabo de contacto à massa. Fig.3.31 – Disposição dos controlos do volante para o sensor de distensão muscular À Unidade Electrónica
  82. 82. Tecnologia dos Semicondutores – Componentes 3.25 Transístor Pela figura 3.30 temos um esquema geral de todos os elementos onde se situa o sensor de distensão muscular (A) colocado no mesmo volante. Em circunstâncias normais, as mãos do condutor permitem estabelecer a ligação eléctri- ca entre as duas fitas ligando o sistema à massa neste ponto. É de referir que a corrente eléctrica que percorre as mãos do condutor é bastante baixa daí que o esquema electrónico deverá incluir um sistema amplificador que terá a função de tornar esta corrente perceptível pelo sistema. Para conseguir este objectivo dispõem-se de seguida na figura 3.32 o esquema electró- nico. O esquema da figura 3.32 marca a primeira fase de funcionamento do sistema quando o condutor fixa normalmente as mãos no volante do veículo. Fig.3.32 – Esquema electrónico do sistema
  83. 83. Tecnologia dos Semicondutores – Componentes3.26 Transístor Neste momento passa uma corrente eléctrica que atravessa a resistência variável R2 e passa através das mãos do condutor até à massa, esta corrente apresenta um valor bastante baixo (da ordem dos mili – amperes), como já foi dito, mas é suficiente para polarizar a base do transístor T1 que agrupado ao transístor T2 aumenta a sensíbilidade do sistema fazendo com que R4 seja percorrida por uma corrente eléctrica por forma que a tensão na base do transístor T3 é baixa. Consequentemente e como o transístor T3 não é polarizado e o restante circuito que ele comanda não é accionado, portanto a lâmpada não acende, o buzzer não emite qual- quer sinal sonoro e o relé não é accionado, permitindo a continuidade da bateria com o sistema de ignição. O potenciómetro R2 serve para regular a sensibilidade do sistema tornando-o mais ou menos rápido na resposta à distensão muscular das mãos do condutor. No momento em que o condutor apresenta sinais de cansaço ao volante a firmeza com que ele agarra o volante diminui aumentando a resistência eléctrica entre as fitas metáli- cas. A corrente que anteriormente circulava em R2 até à massa baixa consideravelmente e o transístor T1 deixa de ver a sua base polarizada uma vez que o contacto das mãos com o volante constitui um circuito aberto. Portanto o transístor T1 e consequentemente o transístor T2 deixam de conduzir. Como se vê pela figura 3.33 a corrente eléctrica passa pelos pontos do circuito assinala- dos com traço mais grosso, uma vez que o transístor se apresenta ao corte a tensão entre a base e o emissor do transístor T3 aumenta de forma que este transístor fica polarizado permitindo que a lâmpada acenda. Através do díodo D1 circula uma corrente eléctrica que permite que o transístor T4 não conduza encontrando-se na zona de corte. O transístor T5 fica com a sua base polarizada porque T4 está ao corte aumentando a tensão na base do transístor T5 que permite ligar o buzzer e accionar o relé,uma vez que os componentes se encontram ligados em paralelo. Uma vez o relé (7) accionado faz com que o sistema de ignição seja desligado da bate- ria fazendo com que o motor pare nesse mesmo instante.
  84. 84. Tecnologia dos Semicondutores – Componentes 3.27 Transístor Este sistema constitui assim um dispositivo de segurança do veiculo que vigia constante- mente a condição física do condutor actuando sobre o funcionamento do automóvel quando necessário. 3.5 – APLICAÇÕES PRÁTICAS COM TRANSÍSTORES 3.5.1 – TÉCNICA DE IMPULSOS Os transístores podem ser utilizados para ligar ou desligar uma determinada carga a uma fonte de tensão, com a vantagem sobre qualquer outro tipo de comutação mecâ- nica, visto operar electricamente e ter uma resposta muito mais rápida. Fig.3.33 – Esquema electrónico do sistema no momento em que o condutor apresenta sinais de cansaço
  85. 85. Tecnologia dos Semicondutores – Componentes3.28 Transístor No comutador mecânico quando ele está aberto, não flui corrente pela carga RL, no entanto quando ele está fechado toda a tensão Vcc aparece aos terminais da carga RL. O transístor de comutação tem as mesmas propriedades que o comutador mecânico. Quando um transístor é usado como comutador é hábito dividir as suas zonas de fun- cionamento em: região activa, região de corte e região de saturação. Na região de corte, ambas as junções, a do emissor e a do colector polarizadas inver- samente não havendo fluxo de corrente entre o emissor e o colector. Nesta região, o transístor funciona abaixo da curva característica para IE = 0 em que neste caso IE é a corrente do emissor. Nos circuitos de comutação a região activa não tem interesse pratico uma vez que o transístor situa-se normalmente na zona de corte ou na zona de saturação. A região à esquerda de VCB =0 em que VCB é a tensão medida entre o colector e a base do transístor e acima de IE = 0 é a zona de saturação. Fig.3.34 – Circuitos simples de transístores como comutadores Fig.3.35 – Curva característica do transístor apontando as regiões de funcionamento
  86. 86. Tecnologia dos Semicondutores – Componentes 3.29 Transístor Nesta região, as junções de emissor e colector estão polarizadas directamente, sendo portanto o momento em que há passagem de corrente através do transístor. 3.5.2 – CIRCUITO MONOESTÁVEL O circuito monoestável é o circuito que tem somente um estado estável no qual pode permanecer por um tempo indeterminado e tem um outro estado quase estável, no qual pode permanecer um determinado tempo finito. No circuito monoestável é necessário aplicar um impulso por meio de uma fonte exter- na para que aquele faça uma transição do estado estável para o estado quase estável, onde permanecerá um tempo bastante longo em comparação com o tempo de transi- ção entre estados. O circuito passará do estado quase estável para o estado estável com necessidade de aplicar qualquer impulso exterior. Assim quando se processa o disparo do circuito monoestável o mesmo volta ao estado original por si próprio ao fim de um tempo T pelo que é conhecido como circuito univi- brador. Fig.3.36 – Circuito monoestável com transístores
  87. 87. Tecnologia dos Semicondutores – Componentes3.30 Transístor Para o estado quase estável (o transístor T1 a funcionar à condução e T2 ao corte), o cir- cuito simplifica-se donde se obtém o circuito equivalente: Para o instante t = 0 a tensão no condensador é dado por V(0) = Vcc + VcE onde VcE = 0 porque o transístor está a trabalhar na zona de saturação. Ao aplicarmos um impulso aplicado no ponto D, o transístor T2 passa a zona de condu- ção e consequentemente T1 passa ao centro. Este estado permanece até que o condensador C descarregue toda a energia que adqui- riu com o impulso. Quando o condensador se descarregar, o transístor T1 passa a trabalhar novamente à condução e T2 por sua vez volta a trabalhar ao corte, como de inicio. Fig.3.37 – Malha do circuito monoestável VD – Tensão na Base de T2 + VCC VD
  88. 88. Tecnologia dos Semicondutores – Componentes 3.31 Transístor Como se vê pela figura na forma de onda gerada em VB2 (*) a curva ascendente e a sua duração dependem do valor capacitivo do condensador conforme este armazene mais ou menos caga durante o mesmo periudo de tempo Fig.3.38 – Formas de onda em vários pontos do circuito
  89. 89. Tecnologia dos Semicondutores – Componentes3.32 Transístor Aplicações de circuito monoestavel Este circuito tem aplicações em quase todos os dispositivos com memória podendo com- plementar o sistema de comando do limpa pára brisas dum automóvel, e ainda poderá fazer parte integrante da gestão electrónica do mesmo. A figura 3.39 representa um esquema electrónico de um conta – rotações que tem como sensor ou captador de impulsos uma pequena bobina que rodeia o cabo de alta tensão da bobina. Fig.3.39 – Esquema electrónico de um conta rotações com uma apli- cação dum circuito monoastável Captador de impulsos
  90. 90. Tecnologia dos Semicondutores – Componentes 3.33 Transístor Assim a corrente que percorre o cabo das velas gera um campo magnético que é detec- tado pela bobina que rodeia o cabo. Por sua vez a bobina gera um impulso, por indução magnética, que emite para o circuito electrónico (ver figura 3.40). O transístor T1 entra em condução quando o motor está parado uma vez que a base deste é polarizada negativamente e desta forma ele encontra massa a partir do díodo D1. Nestas condições o transístor T2 encontra-se igualmente ao corte porque tem polariza- ção positiva. Durante o funcionamento do sistema o transístor T1 é polarizado positivamente cada vez que é detectado um impulso pelo sensor. Quando isto ocorre, o transístor T1 entra ao corte mas permite que o transístor T2 entre na zona de condução e estabeleça corrente para o aparelho M. Por outro lado, quando o transístor T2 se encontra à condução, estabelece-se uma que- da de tensão na resistência ligada ao seu colector (R8). Fig.3.40 – Sensor de impulsos ligado ao cabo de alta ten- são da bobina Ao conta – rotações

×