Electronica - Modulo 4 - Semicondutores

Estrutura atómica
Materiais semicondutores
- 1 - António Pedro Andrade
Electrões
Protões
Neutrões
Neutrões não têm carga
Protões têm carga positiva
Electrões têm carga negativa
Níveis de energia

Um electrão ocupa de preferência o estado de energia mínimo (órbita mais próximo do núcleo).
Se fornecermos energia ele irá ocupar estados energéticos mais elevados. Por outro lado, um
determinado nível de energia só pode estar ocupado por um determinado número de electrões.
Neste caso, irá ocupar níveis de energia imediatamente superiores.
Esta teoria não é válida para estruturas cristalinas (uma estrutura
cristalina é uma forma ordenada de arranjo de átomos) onde os
electrões da última camada são influenciados pelos átomos
a que pertencem e pelos átomos vizinhos. Deste modo, faz
mais sentido afirmar que um electrão da última camada não
pertence a um determinado átomo mas sim à estrutura cristalina.
A esta banda de energia chama-se banda de valência.

Á zona de energias permitidas para o electrão acima da banda de valência dá-se o nome de
banda de condução.
Á zona de energias não permitidas chama-se banda proibida.
Banda de valência
Banda de condução
Banda proibida
A
Isolador
B
Semi
condutor
C
condutor
lacunas
Electrões
livres

Em função da largura de banda proibida de energia, podemos caracterizar vários tipos de
materiais:
a) Isolador (A): a banda proibida é muito larga o que implica fornecer muita energia para que
o electrão transite da banda de valência para a de condução. Assim, neste tipo de materiais
não encontramos mutios electrões livres nesta banda não sendo por conseguinte possível a
passagem da corrente eléctrica. São os materiais denominados isoladores.
b) Semicondutor (B): Sendo a banda proibida muito pequena, á temperatura ambiente, é
muito fácil os electrões transitaram da banda de valência para a de condução (à temperatura
de zero absoluto comporta-se como um isolador). Neste caso, tornam-se condutores em virtude de
termos muitos electrões livres na banda de condução. Por outro lado, ao abandonarem a
banda de valência deixam “lugares” por ocupar aos quais iremos chamar lacunas.
c) Condutores (C): Neste caso a banda de valência confunde-se com a de condução. Deste
modo, iremos ter uma grande disponibilidade de portadores de carga o que explica as boas
propriedades condutoras de muitos metais.

Os materiais mais utilizados nos semicondutores são o Germânio e o Silício.
O silício (latim: silex, pedra dura, inglês: silicon) é um elemento químico de símbolo Si de número
atómico 14 (14 protões e 14 electrões). Á temperatura ambiente, o silício encontra-se no estado
sólido. Foi descoberto por Jöns Jacob Berzelius, em 1823 e é o segundo elemento mais
abundante da face da terra. Aparece na argila, feldspato, granito, quartzo e areia.
O germânio é um elemento químico de símbolo Ge, número atómico 32 (32 protrões e 32
electrões). Á temperatura ambiente, o germânio encontra-se no estado sólido. É um semi-metal
sólido, duro, cristalino, de coloração branco acinzentada, lustroso, quebradiço. Os únicos
minerais rentáveis para a extração do germânio são a germanita (69% de Ge) e ranierita (7-8% de
Ge); além disso está presente no carvão, na argirodita e outros minerais.
Ambos possuem 4 electrões na última camada com energias correspondentes à banda de
valência, ou seja, pertencem à estrutura cristalina como um todo. Desta forma, a ligação entre
os átomos são feitas por estes electrões que não pertencem exclusivamente a cada átomo
mas são compartilhados entre eles.

Do que foi anteriormente, a uma ligação química deste tipo chama-se covalente
Quando um electrão quebra a ligação covalente
e transita para a banda de condução torna-se um
electrão livre. A energia necessária para que isto
aconteça é de 0,72 eV para o Ge e 1,1 eV para o
Silício. (eV equivale a 1,6 x 10–19 joules. Um electrão-volt
é a quantidade de energia cinética ganha por um único
electrão quando acelerado por uma diferença de potencial
eléctrico de um volt, no vácuo).
Ligação
covalente
Electrões
valência
Electrão
livre
lacuna

No slide anterior, vimos que um electrão pode deixar um espaço vago (lacuna) na ligação
covalente, o que significa que este espaço pode vir a ser ocupado por outro electrão deixando,
assim, outra lacuna por ocupar. Deste modo, podemos pensar num movimento de electrões
mas, também, de uma condução eléctrica por parte das lacunas. Dito de outra forma, nos
semicondutores assistimos a dois tipos de condutividade: movimento dos electrões e
movimento das lacunas.
Podemos pois, concluir, que num semicondutor puro ou intrínseco, a concentração dos
electrões é igual à das lacunas.
Impurezas dadoras e aceitadoras
Na prática costuma-se misturar impurezas aos semicondutores para que se possa obter dois
tipos de semicondutores. As impurezas podem ser o Arsénio, Antimónio ou o Fósforo ou 5
electrões valência ou o Boro, Gálio e o Índio com três electrões valência.
Vejamos o que acontece quando se misturam estes elementos com o Germânio ou Sílicio.

Ao juntarmos impurezas como o Fósforo que possui 5 electrões valência, 4 ficam a fazer parte
da ligação covalente enquanto que o quinto fica livre. Assim, vamos ter vários electrões que
transitam facilmente para a banda de condução uma vez que estão pouco ligados à estrutura
cristalina. Deste modo, obtemos um material onde os electrões são portadores de carga
maioritários enquanto que as lacunas são portadores minoritários. A um semicondutor deste
tipo chamamos do tipo n.
5
Electrão
livre
Impureza do tipo n

Ao juntarmos impurezas como o Gálio (3 electrões valência) vamos ter falta de electrões na
estrutura cristalina. Deste modo, obtemos um material onde os electrões são portadores de
carga minoritários enquanto que as lacunas são portadores maioritários. A um semicondutor
deste tipo chamamos do tipo p.
3
Lacuna
Impureza do tipo p

Dependência com a temperatura
A condutividade dos semicondutores aumenta com a temperatura devido à geração de maior
número de portadores de carga. Inversamente diminui com a temperatura uma vez que a
largura de banda proibida aumenta.
Esta variação da condutividade pode ser aproveitada na construção de um dispositivo
semicondutor chamado termistor. Este dispositivo (NTC) é utilizado em circuitos de medição e
controle de temperatura.

Junção PN
Se juntarmos um semicondutor do tipo p a outro do tipo n, nas proximidades da união irá
verificar-se uma variação nas concentrações de portadores de carga. Os electrões passam do
lado n para o p e as lacunas do lado p para o lado n. Esta deslocação dos portadores
denominada corrente de difusão será tanto maior quanto maior forem as diferenças nas
concentrações e durará até se restabelecer o equilíbrio.
p n p n
+
-
-
-
+
+
zona de carga
espacial
Campo eléctrico
Junção pn

Uma junção deste tipo toma o nome de diodo de junção ou simplesmente diodo.
Materiais semicondutores – Diodo junção
p n
ânodo cátodo
iD
vD
0,2 0,4 0,6 0,8 1
20
40
60
80
100
iD
mA
vD
volts
Ge Si
Curva característica
do diodo
A K

Quando polarizamos o diodo inversamente a tensão aplicada tende a “puxar” os portadores
para longe da junção forçando o crescimento da região de carga espacial.
Ao polarizarmos o diodo directamente, o valor da barreira de potencial diminui facilitando as
correntes de difusão dos portadores maioritários. Dito de outro modo, as lacunas do lado p são
injectadas no lado n e os electrões do lado n injectados no lado p. A corrente que circula no
diodo é a soma das correntes de difusão. Não esquecer que a tensão VD tem que ser maior
que um determinado valor a que chamamos tensão de limiar V.
Materiais semicondutores - Polarização do diodo
iD
vD
+
-
iD
vD
-
+
Diodo polarizado inversamente Diodo polarizado directamente

Materiais semicondutores – Diodo junção
Características do diodo
iF
vF
iR
vR
Corrente directa
Corrente inversa
Polarização
directa
Tensão directa UF
Corrente directa
IF
Polarização
inversa
Tensão inversa
UR
Corrente inversa IR
Curva característica

Circuitos equivalentes do díodo
Como vimos pelas curvas características dos diodos, eles não começam a conduzir
imediatamente quando se aplica um d.d.p. aos seus terminais. Só quando a tensão VD é
superior a 0,7V para o diodo de sílicio e 0,2V para os de germânio é que iremos ter iD.
O diodo ideal seria aquele que conduziria mal se aplicasse uma d.d.p. aos seus terminais. O
circuito desenhado em abaixo considera esta situação.
-
+
0,7V

A nomenclatura dos componentes, têm por objectivo identificar de forma fácil e unificada cada
um dos dispositivos utilizados em eletrónica. Os principais códigos normalizados são:
• PROELECTRON – Europeu
Duas letras + sequência alfanumérica da série (aplicações comerciais)
Três letras + sequência alfanumérica de série (aplicações profissionais)
• JEDEC – Americano
Um número + N + Sucessão alfanumérica de série
• JIS – Japonês
2S + Sequência alfanumérica de série
EX.
1N – Código americano (uma junção);
1S – Código Japonês;
BA – Código europeu.
If – corrente máxima directa
Vr – tensão máxima inversa

Circuitos limitadores
Por vezes temos necessidade de limitar sinais ou tensões a um valor pré-determinado,
podendo ser negativo, positivo ou ambos. Por exemplo:
Estes tipos de circuitos podem ser efectuados com diodos os quais tomam o nome de
limitadores. Mesmo que a tensão de entrada Vi aumente, a tensão de saída Voserá sempre
igual ao valor da pilha mais o valor de condução do diodo: VO= E + V.
Vejamos dois casos:
Materiais semicondutores – Aplicações dos diodos

Consideremos o circuito abaixo onde temos 2 fontes de tensão, uma CC e outra CA. O diodo
só conduz quando a tensão for E+ V.
Se Vi for menor que E+ V o diodo não conduz, logo I =0 e Vo=Vi
VO = VD + E
Materiais semicondutores – Circuitos limitadores
-
+
R
 Vo
E
Vi
Vi
Diodo não
conduz
Vo
Diodo conduz
V

Montagem laboratorial 1
Recorrendo ao software existente montar o seguinte circuito:
- Uma fonte alimentação CA, 10V;
- Uma fonte CC de 4V
- Resistência de 1K;
- 1 osciloscópio;
- Diodo rectificador;
- Ligação à terra.
Materiais semicondutores - Circuitos limitadores

Elaboração do relatório 1
Com base neste trabalho prático faz um relatório no processador de texto onde constem os
seguintes elementos:
- Título;
- Objectivo;
- Introdução teórica relativamente aos diodos quanto à polarização, tensão de condução,
explicação sumária do funcionamento do circuito, etc.;
- Esquema do circuito e respectivos valores (verificar na Internet as características dos diodo);
- Conclusões.
(varia o valor da fonte CA para um valor Vi < E+ V , verifica a forma de onda e explica o porquê da
situação; o porquê da forma de onda de saída, em que situações é que o diodo conduz, qual o valor
da onda de saída mesmo quando aumentamos Vi...)

O circuito abaixo só difere do anterior em virtude de ter dois diodos montados em paralelo e
com polarizações diferentes.
Cada diodo só conduz quando a tensão for E+ V.
-
+
R
 Vo
E
Vi
-
+
E
Vi
Diodos não
conduzem
Vo
Diodos conduzem

- Uma fonte alimentação CA, 10V;
- Duas fontes CC de 6V e 2V;
- 1 osciloscópio;
- 2 Diodos rectificadores;

Com base neste trabalho prático faz um relatório no processador de texto onde constem os
seguintes elementos:
- Título;
- Objectivo;
-Introdução teórica relativamente aos diodos quanto à polarização, explicação sumária do
funcionamento do circuito, etc.;
- Esquema do circuito e respectivos valores(verificar na Internet as características dos diodos);
- Conclusões
(varia o valor da fonte CA para um valor Vi < E+ V e verifica a forma de onda e explica o porquê da
situação; porquê da forma de onda de saída, em que situações é que os diodos conduzem, qual o
valor da onda de saída, qual a diferença para o circuito testado anteriormente)

No circuito descrito, o diodo encontra-se em condução desde que E seja superior a V. Se
calcularmos o valor de iD e de VD e se os conjugarmos com a curva característica do diodo,
obteremos o que se chama a recta de carga estática e o respectivo ponto de funcionamento.
Materiais semicondutores – Circuitos rectificadores
VD
-
+
Vo
E
R
iD
V
E
D
D Ri
V
E 

Ponto de
funcionamento
do diodo
VD
R
E
i
teremos
se
V
E
teremos
se
D
D
/
0
V
0
i
D
D





Neste circuito, onde a pilha foi substítuida por uma fonte CA, a fórmula anterior continua válida
e sabemos que o diodo só conduz quando Vi é maior que V.
Facilmente se compreenderá que o diodo só irá conduzir nas alternâncias positivas.
VD
Vo
R

Vi
R
V
V
i
V
V
V
Ri
V
V
i
D
i
O
D
D
i
/
)
( 







Vi
VO

V
V
V i
O 


- 1 osciloscópio;
- 1 Diodo rectificador;

- Título;
-Objectivo;
a) Estudo da rectificação de meia onda utilizando um diodo;
- Introdução teórica relativamente à rectificação de meia onda, explicação sumária do
- Esquema do circuito e respectivos valores(verificar na Internet as características dos diodo);
- Conclusões
(qual o valor máximo da tensão inversa que o diodo deve suportar, o porquê da forma de onda de
saída, qual o seu valor, etc)

No circuito abaixo, temos um transformador com ponto intermédio C o que irá resultar em duas
tensões no secundário AC e BC. Quando temos a alternância positiva em A, o diodo D1 irá conduzir
ficando o D2 ao corte. A corrente passa por D1, pela resistência e fecha-se no ponto C. Quando temos
a alternância positiva em B, a corrente flui por D2 passa pela resistência e fecha-se no ponto C.
Como a corrente passa pela resistência sempre no mesmo sentido teremos VO sempre positiva.
Por outro lado, como temos sempre condução (alternâncias positivas e negativas) resulta numa forma de
onda com uma frequência dupla da de entrada.
A tensão de saída será metade da desenvolvida no secundário em virtude de ser extraída do ponto
intermédio do transformador em relação a um dos extremos.
Um circuito deste tipo é designado por rectificador de onda completa.
Vi
VO

V
V
V i
O 
 2
/
'
VD
Vo
R

Vi
A
C
B
D1
D2
V’i

Montar o seguinte circuito:
- 1 transformador com ponto intermédio;
- 1 fonte alimentação CA;
- 1 osciloscópio;
- 2 Diodos rectificadores;

- Título;
-Objectivo;
a) Estudo da rectificação de onda completa utilizando um transformador com ponto
intermédio;
- Introdução teórica relativamente à rectificação de onda completa, frequência e tensão de
saída, explicação sumária do funcionamento do circuito, etc.;
- Esquema do circuito e respectivos valores;
- Conclusões
(O porquê da forma de onda ter sempre o mesmo sentido, diferenças entre este circuito e 3,
aplicações deste tipo de circuito, etc)

Nos circuitos rectificadores anteriores verificamos que a onda de saída sofre algumas
variações em torno do valor médio. Estas variações podem não ser compativeis com alguns
tipos de circuitos que necessitem de uma forma perfeitamente contínua sem flutuações.
Para evitar este problema, podemos introduzir um
condensador no circuito de forma a que a onda de saída
não sofra tantas variações ou que, pelo menos, sejam
atenuadas. O valor do condensador é escolhido em função
da constante de tempo do circuito  = R.C. Deve ser
maior que o período de onda da tensão de entrada.
Análise do circuito:
Na alternância em que o diodo conduz, o condensador irá
carregar-se até ao valor Vi. Na alternância negativa, o diodo
não conduz, visto estar polarizado inversamente, o que irá
proporcionar a descarga do condensador pela resistência. A
este fenómeno dá-se o nome de filtragem. O valor do
condensador deve ser tal que permita apenas uma pequena
descarga para que as variações sejam menores.
VD
Vo
R

Vi C

Onda de saída sem
condensador
Onda de saída com
condensador
Carga do
condensador
Descarga do
condensador

- 1 osciloscópio;
- 1 Diodo rectificador;
- 2 condensadores;
- 1 switch;

- Título;
-Objectivo;
a) Verificação da rectificação com diodo;
b) Verificação da filtragem através da introdução de condensadores;
- Introdução teórica relativamente à rectificação, filtragem, explicação sumária do
- Esquema do circuito e respectivos valores (verificar na Internet as características dos diodo);
- Conclusões
(qual o valor máximo da tensão inversa que o diodo deve suportar, o porquê da forma de onda de
saída, função do condensador, influência da capacidade, qual a constante tempo do circuito, etc)

A melhor rectificação é aquela que se consegue com um circuito idêntico ao da figura, que
utiliza uma ponte de diodos.
Com a polaridade indicada, os diodos D1 e D3 conduzem visto estarem polarizados
directamente enquanto D2 e D4 ficam ao corte. Na alternância oposta serão do diodos D2 e D4
a conduzirem.
A corrente flui na resistência sempre com o mesmo sentido fazendo com que VO nunca seja
negativo.
A tensão de saída é
Vo
R

Vi
D1
D2
D4
D3
+
Vi
VO

V
V
V i
O 2



- Fonte alternada
- 1 osciloscópio;
- 1 ponte de Diodos;
- 1 condensador 680F;

- Título;
-Objectivo:
a) Estudo da rectificação de onda completa através da ponte de diodos;
b) Verificação da filtragem introduzindo um condensador;
- Introdução teórica relativamente à rectificação, filtragem, explicação sumária do
- Esquema do circuito e respectivos valores;
- Conclusões.

O diodo Zener é um tipo de diodo especialmente projectado para trabalhar na região de
avalanche, ou seja, na região de ruptura da tensão inversa.
O díodo zener quando polarizado inversamente permite manter uma tensão constante aos
seus terminais (VZ) sendo, por isso, muito utilizado na estabilização/regulação da tensão nos
circuitos. Quando polarizados directamente comportam-se como um diodos normais.
Comercialmente são caracterizados pela tensão VZ
Materiais semicondutores – Diodo Zener
ânodo cátodo
iZ
vZ
A K
I
v
vZ
Curva característica do
zener
Especificações do diodo
zener
Vd: tensão directa
Vz: tensão inversa (dada pelo
fabricante)
Izmáx: corrente máxima
Izmin: corrente mínima
Pz: potência zener

Verificação das características
Qual o valor de VO no circuito?
Suponhamos que queríamos que VO fosse igual a 10 V e sempre constante. O que poderíamos
fazer?
Vo
V
I
R
V
mA
k
V
R
V
k
k
k
R
O
t
t
16
8
2
V
de
Cálculo
8
3
24
I
I
de
Cálculo
3
2
1
R
de
Cálculo
4
O
t
















Estabelização da tensão com diodo zener

- 4 pilhas;
- Resistência de 1K e 2K;
- 1 amperímetro;
- 2 voltímetros;
- 1 diodo zener 1N4740A;
- 1 Switch.
A
V2
V1

V V1 V2 IZ
12V
24V
36V
72V
- Título;
-Objectivo:
a) Estudo do diodo zener como
estabelizador de tensão;
- Introdução teórica relativamente à
aplicação do dido zener, sua
polarização, etc;
- Esquema do circuito e respectivos
valores;
- Conclusões acerca dos valores
medidos e funcionamento do zener.

Nos diodos semicondutores na recombinação dos portadores electrão-lacuna dá-se uma
libertação de energia, geralmente sob a forma de calor.
Se utilizarmos semicondutores especiais, tais como o arsenieto de gálio (GaAs), a energia de
recombinação aparece sob a forma de luminosa. Este efeito é utilizado na construção de
diodos emissores de luz (LED: Ligth Emiting Diode).
Um Led para emitir luz tem que estar devidamente polarizado.
Materiais semicondutores – Diodo Led

IF max. Corrente máxima com o led ligado correctamente.
VF typ.Voltagem tipica, VL é aproximadamente 2V, excepto para os leds azuis que é 4V.
VF max.Tensão máxima.
VR max. Tensão máxima inversa.
Intensidade luminosa Brilho do led com a corrente normal de funcionamento, mcd = millicandela.
Angulo de projecção de luz Standard LEDs têm um angulo de 60°.
Comprimento de onda O pico de comprimento de onda visual determina a cor da luz enviada pelo LED.
nm = nanometro.
Tipo Cor
IF
max.
VF
typ.
VF
max.
VR
max.
Intensidade
Luminosa
Angulo
visualização
Comprimento
onda
Standard Vermelho 30mA 1.7V 2.1V 5V 5mcd a 10mA 60° 660nm
Standard
brilhante
vermelho
30mA 2.0V 2.5V 5V 80mcd a 10mA 60° 625nm
Standard Amarelo 30mA 2.1V 2.5V 5V 32mcd a 10mA 60° 590nm
Standard Verde 25mA 2.2V 2.5V 5V 32mcd a 10mA 60° 565nm
Alta intensidade Azul 30mA 4.5V 5.5V 5V 60mcd a 20mA 50° 430nm
Super brilho Vermelho 30mA 1.85V 2.5V 5V 500mcd a 20mA 60° 660nm
Baixa corrente Vermelho 30mA 1.7V 2.0V 5V 5mcd a 2mA 60° 625nm
em http://www.electronica-pt.com/index.php/content/view/126/37/

Polarização do LED
Além de ser polarizado directamente, um led deve ter uma resistência em série para limitar os
parametros de funcionamento para valores correctos, nomeadamente, a corrente. A resistência
limitadora da corrente é calculada através da seguinte fórmula:
F
F
I
V
V
R


Suponhamos um led vermelho cujos valores de VF e IF são
respectivamente 1,7V e 15 mA. Se quiseremos aplicar uma
fonte de alimetação de 9V, então teremos:




 
490
10
15
7
,
1
9
3
R

Electronica - Modulo 4 - Semicondutores

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