Figura 1 : Sistema amplificador
Eletrônica Básica
Aula01: Semicondutor
Intrínseco
Bibliografia: Microeletrônica
- Vol.1 Sedra e Smith e Eletrônica Vol 1 - Malvino
A Eletrônica
Introdução
Em cursos anteriores, Circuitos Elétricos em CC e CA, estudamos circuitos elétricos. Circuitos elétricos são constituídos de componentes passivos conectados entre por fios. Em um circuito eletrônico de alguma forma o fluxo de corrente pode ser controlado por outro dispositivo, chamado de ativo. De uma certa forma em circuitos elétricos temos dispositivos que controlam o fluxo da corrente, tais como chaves, potenciômetros e outros. Em eletrônica a diferença é que ao invés de usar força mecânica para efetuar isso, usamos dispositivos eletrônicos par esse controle. Isto é, é a eletricidade controlando a eletricidade, essa é a principal diferença entre esses dois mundos.
A eletrônica é fundamentada em dispositivos semicondutores, isto é, dispositivos construídos a partir de um tipo de material chamado semicondutor.
Definição de Circuito Eletrônico
Para que um circuito seja chamado de eletrônico ele deve ter ao menos um dispositivo ativo, sendo assim chamado, pois tem a habilidade de controlar o fluxo de elétrons (corrente elétrica) através de um sinal elétrico de corrente ou de tensão. Na pratica essa característica permite que sejam construídos, por exemplo, dispositivos chamados de amplificadores. Um amplificador recebe um sinal de, por exemplo 50mW, e fornece um sinal de 50W de potencia com a mesma forma (sem distorção), figura 1
Figura 1 : Sistema
amplificador
Aparentemente na figura 1 a lei da conservação está sendo violada, isto é, a partir de 50mW é obtido 50W. A Lei da Conservação diz que a energia não pode ser criada nem destruída estando sempre em transformação. Na figura 1 falta acrescentar um elemento importante que fornecerá a energia adicional ao sinal, a fonte de alimentação, figura 2.
Figura 2:
Amplificador mostrando a fonte CC de alimentação
A energia do sinal na saída que irá excitar um alto falante, provem de fato da fonte de alimentação. Então é importante saber como construir amplificador bem como a fonte de alimentação CC do mesmo. Para construir um amplificador, precisamos conhecer como operam os dispositivos usados na sua construção, tais como transistores, diodos. Para saber como esses dispositivos operam é necessario saber o principio de funcionamento dos mesmos, portanto comecemos.........
Semicondutor Intrínseco
Introdução
Como sabemos os materiais usados em eletrônica se classificam em condutores (Ex: cobre , alumínio, ferro, ouro, prata, etc) e isolantes (Ex: madeira, borracha, ar, vidro, etc), mas existe um outro tipo de material chamado de semicondutor (pois tem resistividade intermediaria entre condutor e isolante) que também é largamente usado em eletrônica principalmente depois dos anos 50. Estes materiais ao contrario dos condutores tem a sua resistividade alterada quando é fornecida algum tipo de radiação (térmica e luminosa principalmente). Devido às suas características esses materiais são usados construção de diodos, transistores, sensores, circuitos integrados e numa vasta gama de componentes eletrônicos.
Os primeiros semicondutores
usados foram o Germânio (Ge) e o
Silício (Si), mas outros semicondutores já estão sendo
utilizados atualmente, como Arsenieto de Gálio (AsGa) e outros.
Daremos
ênfase ao estudo considerando
os dois primeiros devido à maior quantidade de informações
sobre os mesmos.
Para entendermos as
características
de um semicondutor deveremos fazer
uma analise do ponto de vista atômico (átomo).
A figura 3a
mostra a estrutura de um átomo de
Si, no qual podemos verificar
que o
mesmo tem 4 elétrons na camada de valencia (ultima camada). Como é
essa ultima camada
que determinará as propriedades do Si, a
partir de agora a só consideraremos o núcleo, positivo e
os quatro elétrons da
camada de valencia, figura 3b
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( a ) |
( b ) |
Figura 3: Estrutura simplificada do átomo de Si |
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É importante observar que o átomo é neutro, pois o numero de elétrons é igual ao numero de prótons. O Si é um cristal, isto é, o arranjo geométrico dos átomos é feito de forma regular e ordenada em todas as direções. No caso esse arranjo é chamada de cúbico, no qual cada átomo se liga com quatro átomos vizinhos através de ligações chamadas de covalentes. A figura 4 mostra esse arranjo.
Não esquecer que na realidade os átomos estão dispostos no espaço em 3 dimensões.
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Figura 4: Estrutura cristalina do Si a 0ºK ( -273ºC) - O material se comporta como isolante |
À temperaturas próximas do zero absoluto (-273ºC ) o Si se comporta como um isolante porque não existem elétrons livres disponíveis para a condução. À medida que a temperatura aumenta a energia que é fornecida aos elétrons da ultima camada (camada de valência ) é suficiente para " quebrar" a ligação covalente fazendo com que os mesmos se tornem livres. O extraordinário desse fenômeno é que, além do elétron que foi liberado, a ausência desse elétron na ligação covalente pode se comportar como carga elétrica, e chamada de lacuna ou buraco. A figura 5 mostra a mesma estrutura da figura 4 considerando que algumas ligações covalentes foram rompidas.A quantidade de energia necessária para quebrar uma ligação depende do semicondutor, no caso do Ge é 0,72eV e para o Si 1,1eV, à temperatura ambiente.
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Figura 5: Estrutura do Si a uma temperatura acima de 0ºK ( acima de - 273ºC ) - Geração de pares elétron-lacuna |
Se agora for aplicado um campo elétrico (tensão elétrica) ao cristal uma corrente elétrica aparecerá. O mecanismo de condução devido aos elétrons livres já é conhecido, expliquemos como é o mecanismo de condução devido a uma lacuna. A figura 6 mostra o cristal de Si sendo submetido a um campo elétrico. Os elétrons livres se deslocarão contra o campo elétrico, enquanto as lacunas se deslocarão no mesmo sentido do campo. Mas como isso acontece? A seqüência de figuras a seguir mostra como isso acontece. Na figura 6, num instante t1 temos um elétron livre (circulo preto) e a ausência desse elétron na ligação covalente (circulo branco).
Instante t1
Figura 6: Cristal de Si submetido a um campo elétrico (tensão elétrica ) num instante t1. |
Num instante t2 um elétron de valência, caso tenha energia suficiente (quem está fornecendo essa energia é a fonte externa ) poderá ocupar a lacuna, mas ao fazer isso deixa uma lacuna, e assim sucessivamente. As figura 7 e figura 8 mostram essa seqüência. Então tudo se passa com se uma carga positiva estivesse se deslocando para a direita do cristal, na realidade são elétrons de valência que se deslocam no sentido contrário. Observar que esses elétrons de valência se transformam em elétrons livres quando entram no metal (não esqueça o semicondutor está ligado à bateria através de fios de cobre!!!).
Instante t2
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Figura 7: Cristal de Si submetido a um campo elétrico ( tensão elétrica ) num instante t2 |
Instante t3
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Figura 8: Cristal de Si submetido a um campo elétrico ( tensão elétrica ) num instante t3 |
A
corrente total no cristal será a soma do fluxo de elétrons com
o fluxo de lacunas: IT = Ie + I
No caso de um semicondutor intrínseco (puro)
o
numero de elétrons por unidade
de volume (n) é igual ao numero de lacunas por unidade de volume (p):
n = p =ni, ni é a concentração intrínseca do semicondutor.
Veja este vídeo (em inglês) sobre semicondutores: http://www.allaboutcircuits.com/videos/48.html
