MSPC    Informações técnicas | Mapa | Fim pág |

 

Semicondutores I-20: princípios básicos Índice do grupo | Página anterior | Próxima página | Impurezas | Junção PN | Junção NPN e PNP | Junção PNPN | Unijunção | Efeito de campo | MOSFET |

Índices Ciência dos materiais Eletricidade e eletromagnetismo Eletrônica digital Eletrônica em geral Fluidos, calor, frio, etc Informática Matemática Mecânica teórica Resistência dos materiais Temas técnicos diversos Temas diversos Termodinâmica / transmissão de calor

---

Impurezas

  | Topo pág | Fim pág |

Conforme já dito, a capacidade de um átomo de se combinar com outros depende do número de elétrons de valência. A combinação só é possível quando este é menor que 8. Elementos com 8 elétrons de valência não se combinam. São estáveis e inertes.

Considera-se agora o silício, que é o semicondutor mais usado, dispondo de 4 elétrons de valência.

Figura 01

No estado puro, cada par de elétrons de átomos distintos forma a chamada ligação covalente, de modo que cada átomo fica no estado mais estável, isto é, com 8 elétrons na camada externa.

O resultado é uma estrutura cristalina homogênea conforme Figura 01. Na realidade é tridimensional. Está assim mostrada por questão de simplicidade.

Até agora, nada de novo. O material continua um semicondutor. Entretanto, quando certas substâncias, denominadas impurezas, são adicionadas, as propriedades elétricas são radicalmente modificadas.

Se um elemento como o antimônio, que tem 5 elétrons de valência, for adicionado e alguns átomos deste substituírem o silício na estrutura cristalina, 4 dos 5 elétrons irão se comportar como se fossem os de valência do silício e o excedente será liberado para o nível de condução (Figura 02).

Figura 02

O cristal irá conduzir e, devido à carga negativa dos portadores (elétrons), é denominado semicondutor tipo n.

Notar que o material continua eletricamente neutro, pois os átomos têm o mesmo número de prótons e elétrons. Apenas a distribuição de cargas muda, de forma a permitir a condução.

Agora a situação inversa conforme Figura 03: uma impureza com 3 elétrons de valência (alumínio, por exemplo) é adicionada.

Figura 03

Alguns átomos de silício irão transferir um elétron de valência para completar a falta no átomo da impureza, criando um buraco positivamente carregado no nível de valência e o cristal será um semicondutor tipo p, devido à carga positiva dos portadores (buracos).

Junção PN (diodo de junção)

  | Topo pág | Fim pág |

Se um semicondutor tipo P é posto junto de um semicondutor tipo N, na região de contato, denominada junção, há formação de uma barreira de potencial.

Figura 01

No estado normal, o semicondutor é eletricamente neutro, pois os átomos tanto do semicondutor quanto da impureza têm iguais números de elétrons e prótons.

Na junção, os elétrons portadores da parte N tendem a ocupar buracos na parte P, deixando esta última com um potencial negativo e a parte N com um potencial positivo, formando a barreira potencial V_o. Assim, a polaridade da barreira de potencial mantém os elétrons na parte N e os buracos na parte P (Figura 01 A).

Se um potencial externo V > Vo for aplicado conforme Figura 01 B, o potencial de barreira será quebrado e a corrente será elevada, pois existem muitos elétrons em N. Diz-se então que a junção está diretamente polarizada.

No caso da junção inversamente polarizada, Figura 01 C, o potencial de barreira será aumentado, impedindo ainda mais a passagem de elétrons e a corrente será pequena.

Figura 02

Esse conjunto, denominado diodo de junção, funciona como um retificador. Na Figura 02, uma curva típica (não em escala) e o seu símbolo elétrico.

Notar que, acima de um pequeno valor de polarização direta, a corrente aumenta significativamente. A expressão matemática é:

I = I0 (eeV/kT − 1). Onde:

I₀: corrente de saturação.

e: carga do elétron.
k: constante de Boltzmann.
T: temperatura absoluta.

A polarização inversa tem limite. Acima de um determinado valor ocorre um efeito de ruptura, quebrando a barreira de potencial e a corrente sobe quase na vertical. Esse fenômeno é usado, por exemplo, em diodos reguladores de tensão (diodos zener)

Figura 03

A Figura 03 mostra a parte inicial da polarização direta de um diodo no qual a concentração de impurezas nas partes P e N é muito grande.

Nessa condição, a região efetiva de junção é muito estreita e alguns elétrons podem pular a barreira de potencial, resultando em diminuição da corrente com o aumento da tensão em uma determinada faixa.

O fenômeno é denominado efeito túnel e diodos assim construídos são ditos diodos túnel.

Diodos túnel são componentes muito úteis para circuitos osciladores simples e de alta freqüência.

Junção NPN e PNP (transistor de junção)

  | Topo pág | Fim pág |

Um dispositivo formado por duas junções PN contrapostas conforme Figura 01 (a) deste tópico, se adequadamente polarizado e construído segundo alguns critérios, tem a função de amplificador e é denominado transistor de junção NPN.

• A junção base-emissor é polarizada diretamente pela fonte V_be.

• A junção base-coletor é polarizada inversamente pela fonte V_ce.

• V_ce é significativamente maior que V_be. Exemplo: 6V e 1V.

Figura 01

A base é fisicamente delgada e tem uma concentração de impurezas menor que os semicondutores N do emissor e coletor. Nessa forma, o fluxo de elétrons vindo do emissor tem pouca probabilidade de combinação com os buracos na junção da base para formar I_b e a maior parte rompe a polarização inversa da junção base-coletor devido ao campo elétrico maior de V_ce. Ou seja, a polarização base-emissor atua como um acelerador do fluxo e controla a corrente I_c, fazendo o efeito da amplificação.

Pelo circuito, pode-se concluir que Ie = Ib + Ic.

Em componentes reais, I_b pode ser 5% ou menos de I_e e I_c pode ser 95% ou mais de I_e, ou seja, a amplificação é considerável.

Na parte esquerda superior da figura, o símbolo normalmente usado para esse componente.

Um parâmetro usual para o transistor é o fator de corrente α, que é a relação entre as correntes de coletor e emissor. Assim,

α = Ic/Ie ou Ic = α Ie. Como I_b é pequena, o fator α é próximo da unidade. E ocorre também:

Ib = Ie − Ic = Ie − α Ie = (1 − α) Ie.

E o ganho de corrente β é dado por β = Ic/Ib = α / (1 − α).

No transistor de junção PNP, os tipos de semicondutores são invertidos em relação ao NPN (coletor e emissor são semicondutores tipo P e base é tipo N). A operação é similar, com inversão dos portadores de cargas e tensões de polarização de sinais contrários aos da Figura 01 (a). Símbolo conforme (b) da mesma figura.

Junção PNPN

  | Topo pág | Fim pág |

Um dispositivo com duas junções de silício PN conforme Figura 01 abaixo é denominado retificador controlado de silício (sigla SCR, do nome em inglês).

Figura 01

Notar que, no circuito dado, as junções externas são polarizadas diretamente e a central, inversamente.

Ele pode ser considerado como a combinação de um transistor NPN com um PNP conforme indicado.

Aplicando a lei de Kirchhoff em c, por exemplo,

Ic = αa Ia + αc Ic.

Para todo o conjunto:

Ic = Ip + Ia.

Resolvendo, Ic = − αa Ip / (1 − αa − αc).

Se a soma dos fatores de corrente de ambos os transistores for próxima de 1, a corrente I_c será muito grande em relação a I_p, o que ocorre na prática. Os valores de I_p são realmente muito baixos e, uma vez iniciada a condução, I_p pode ser reduzido a zero pois o dispositivo conserva a polarização, mantendo a condução.

Esses dispositivos são bastante utilizados no o controle de cargas de alta potência, como rotação de motores de corrente contínua, resistências de aquecimento, etc.

Unijunção

  | Topo pág | Fim pág |

Figura 01

Uma barra semicondutora tipo N com dois contatos B₁ e B₂ e uma junção P conforme Figura 01 deste tópico forma um transistor de unijunção.

Na altura da junção P haverá uma tensão na barra que dependerá da sua resistência ôhmica e de V_b.

Enquanto V_e for menor que essa tensão, a junção do emissor está inversamente polarizada e, portanto, a corrente é nula ou próximo disso.

Se V_e aumenta de forma que a junção fica diretamente polarizada, haverá um fluxo de portadores entre o emissor e base B₁ e a corrente aumenta mesmo que V_e diminua.

Isso dá ao dispositivo uma característica de resistência negativa, conforme indicado no gráfico da parte inferior da figura.

Efeito de campo

  | Topo pág | Fim pág |

Figura 01

Um transistor de efeito de campo (FET, do nome em inglês) tem uma construção conforme Figura 01. Uma barra de semicondutor tipo N é envolta por um material tipo P, formando uma junção PN denominada porta.

Os contatos nas extremidades são chamados de fonte e dreno.

A junção da porta é inversamente polarizada, o que resulta em corrente quase nula por ela, mas o campo elétrico forma um canal na barra que controla a passagem dos portadores. Assim, a tensão aplicada na porta controla a corrente entre fonte e dreno.

Como a porta é polarizada inversamente, a sua resistência de entrada é bastante alta, o que é conveniente para muitas aplicações.

O exemplo da figura é um FET com canal tipo N, mas pode perfeitamente ser tipo P, sendo, neste caso, a porta tipo N e, naturalmente, invertidas as tensões aplicadas (o símbolo tem o sentido da seta invertido).

Em muitos diagramas é comum o uso das iniciais em inglês para fonte, dreno e porta (Source, Drain, Gate).

MOSFET

  | Topo pág | Fim pág |

Figura 01

Um efeito semelhante ao anterior pode ser obtido com a porta totalmente isolada do canal. Esse dispositivo, que usa uma camada de óxido para a isolação da porta, é denominado MOSFET.

A Figura 01 ao lado dá o esquema de dois tipos de MOSFET: em A, o de depleção e em B, o de reforço.

O primeiro opera de forma similar ao anterior. No MOSFET de reforço, uma tensão positiva aplicada na porta repele os buracos no substrato P e a camada superficial tende a se tornar N e a corrente flui entre fonte e dreno, controlada pelo potencial positivo da porta.

O símbolo indicado é para o de canal N. Para o tipo de canal P, o sentido da seta é invertido.


Topo | Índice do grupo | Página anterior | Próxima página | Última revisão ou atualização: Abr/2008

Melhor visto com 1024x768 px Termos de uso

Referências: BROPHY, James J. Basic Electronics for Scientists. USA: McGraw-Hill, 1977.

U. S. NAVY. Basic Electronics. Hemus, 1976.