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CTM - Aula 14 - 2014/1

Revisão de 22h04min de 11 de agosto de 2014 por Rainer Mathias (discussão | contribs) (→Curiosidades e Links Úteis)

MATERIAIS SEMICONDUTORES


  • Níveis de Energia
  • Valência
  • Bandas de Energia
  • Materiais Intrínsecos
  • Condução Elétrica nos Semicondutores
  • Semicondutores do Tipo N e P
  • Aplicações
      • Diodo Semicondutor - Rainer
      • Transistor de Junção Bipolar - Rainer
      • Transistor de Unijunção - Rainer
      • Transistor de Efeito de Campo - Rainer
      • Retificador controlado de silício - Maisa
      • Termistores - Maisa
      • Fotocondutores - Maisa
      • Células Fotovoltaicas - Maisa


Diodo Semicondutor


  • Alguns materiais apresentam propriedades de condução elétrica intermediárias entre aquelas inerentes aos isolantes e aos condutores. Tais materiais são denominados de semicondutores. Os materiais semicondutores mais simples são constituídos de átomos de um único elemento químico com quatro elétrons na camada de valência. Átomos exibindo esta configuração eletrônica são denominados de átomos tetravalentes.
  • A Fig.1 ilustra a configuração dos átomos tetravalentes de germânio (Ge) e silício (Si) que dão origem a materiais semicondutores



  • A Fig.2 mostra uma representação planar do arranjo de átomos tetravalentes em uma rede cristalina, onde cada átomo forma quatro ligações



  • A dopagem é um processo químico no qual átomos estranhos são introduzidos na estrutura cristalina de uma substância.
  • Quando o processo de dopagem introduz na estrutura cristalina do semicondutor uma quantidade de átomos contendo excesso de um elétron de valência relativamente ao número de elétrons da camada mais externa de cada átomo do cristal, forma-se um semicondutor tipo n.
  • Quando os átomos introduzidos na estrutura cristalina do semicondutor exibem deficiência de um elétron de valência relativamente ao número de elétrons da camada mais externa de cada átomo do cristal, forma-se um semicondutor tipo p.
  • Com respeito à ligação com o quarto átomo de silício, verifica-se a ausência do segundo elétron que comporia o par necessário à formação daquela ligação com o átomo de índio. Essa ausência de elétron de ligação é denominada de lacuna.
  • O diodo semicondutor é um componente que pode comportar-se como condutor ou isolante elétrico, dependendo da forma como a tensão é aplicada aos seus terminais. Essa característica permite que o diodo semicondutor possa ser utilizado em diversas aplicações, como, por exemplo, na transformação de corrente alternada em corrente contínua.
  • Um diodo semicondutor é formado a partir da junção entre um semicondutor tipo p e um semicondutor tipo n, conforme ilustrado na Fig. 3. Existem vários processos que permitem a fabricação desse tipo de estrutura e que utilizam técnicas altamente sofisticadas para o controle de crescimento dos cristais semicondutores com os graus de dopagens desejados. A estrutura formada recebe a denominação de junção pn.



  • Imediatamente após a formação da junção, uma diferença de potencial positiva é gerada entre os lados n e p. Essa barreira de potencial previne a continuação do transporte de portadores através da junção pn não polarizada.
  • O diodo semicondutor é representado pn em diagramas de circuitos eletrônicos pelo símbolo ilustrado na Fig. 4. O terminal da seta representa o material p, denominado de ânodo do diodo, enquanto o terminal da (Fig. 4 - Representação do diodo.) barra representa o material n, denominado de cátodo do diodo.



  • A identificação dos terminais do componente real pode aparecer na forma de um símbolo impresso sobre o corpo do componente ou alternativamente, o cátodo do diodo pode ser identificado através de um anel impresso na superfície do componente, conforme ilustrado na Fig. 4.
  • Polarização direta é uma condição que ocorre quando o lado p é submetido a um potencial positivo relativo ao lado n do diodo.
  • Quando o diodo está polarizado diretamente, conduzindo corrente elétrica sob a condição V > VB, diz-se que o diodo está em condução.
  • A Polarização inversa de um diodo ocorre quando o lado n fica submetido a um potencial positivo relativo ao lado p do componente.
  • Quando o diodo está sob polarização inversa, impedindo o fluxo de corrente através de seus terminais, diz-se que o diodo está em bloqueio ou na condição de corte.
  • Um diodo ideal, polarizado diretamente, deve conduzir corrente elétrica sem apresentar resistência, comportando-se como um interruptor fechado, como ilustrado na figura 5. O interruptor fechado é, portanto, o circuito equivalente para o diodo ideal em condução.
  • Polarizado inversamente, o diodo semicondutor ideal deve comportar-se como um isolante perfeito, impedindo completamente o fluxo de corrente, portanto assemelha-se ao interruptor aberto. Como ilustrado na figura 5 é, portanto, o circuito equivalente para o diodo ideal na condição de corte.



  • Assim, um modelo mais aprimorado para o circuito equivalente do diodo em condução pode ser obtido pela associação série de um resistor Rc, representativo da resistência direta de condução, com uma fonte de tensão VB correspondente ao valor da barreira de potencial na junção, como mostrado na Fig. 6.





  • Efeitos associados à temperatura e a absorção de fótons nas proximidades da junção de um diodo, possibilitam a geração de uma pequena quantidade de portadores minoritários, ou mais precisamente, lacunas no lado n e elétrons livres no lado p. Conseqüentemente, sempre existe uma corrente de fuga, quando o diodo é inversamente polarizado, correspondendo à passagem de portadores minoritários através da junção. Essa corrente de fuga é geralmente da ordem de alguns microampères, o que indica que a resistência da junção inversamente polarizada pode chegar a vários megahoms.

Transistor de Junção Bipolar




  • No estudo de diodo, analisamos uma junção PN. Para o transistor, estudaremos duas junções.Para cada junção do transistor, existirá uma barreira de potencial.


  • Temos 02 (dois) tipos de transistores, NPN e PNP, apresentando 03 (três) terminais: o emissor, a base e o coletor, e duas junções: junção base-emissor e a junção base-coletor, conforme a figura abaixo. Neste caso, o emissor composto de um material tipo N, tem a função de emitir elétrons. O coletor, que também é de material tipo N, coleta os elétrons. A base, formada por material tipo P, é a parte comum.




  • No transistor, a junção base-emissor é polarizada diretamente, e a junção base-coletor é polarizada inversamente, independente do tipo NPN ou PNP. Como sabemos, ao polarizar uma junção PN diretamente, teremos uma redução na barreira de potencial e uma resistência de pequeno valor. Ao polarizar inversamente a junção PN, teremos um aumento na barreira de potencial e uma resistência de valor elevado.


  • Curvas características do transistor As curvas características do transistor estabelecem relações entre entrada e saída para cada configuração, sendo a mais utilizada a configuração emissor comum. As curvas são de grande importância para conseguirmos o ponto de ótimo funcionamento do transistor, de acordo com o projeto adotado.


  • Características VCE x IC
  • Fornece-nos a característica de saída do transistor na configuração emissor comum, sendo IB constante para cada variação de VCE e IC




  • O Transistor trouxe muito desenvolvimento para a área da informática, sem ele, os processadores teriam uma capacidade muito pequena em relação ao tempo da codificação e decodificação dos dados, sem falar na reduzida vida útil dos componentes das válvulas, que desempenhavam a função dos transistores antigamente.
  • A imagem a seguir nos fornece uma visão sobre o quanto se estudou e foi possível aprimorar as técnicas e tecnologias no que se diz respeito aos transistores. A Primeira trata-se do Primeiro Transistor feito, e a última, de um dos projetos mais recentes da Intel em relação a estes componentes.



Transistor de Unijunção



  • Um dos dispositivos semicondutores já há muito tempo em utilização é o transistor Unijunção (UJT). O UJT é um dispositivo de três terminais que, no entanto, tem apenas uma junção PN. Ele é usado como elemento ativo de um circuito oscilador.
  • O UJT é constituída por uma barra de silício tipo N com ligações elétricas em ambas as extremidades, além de um fio de alumínio ligado a um ponto ao longo do comprimento da barra de silício. No ponto de ligação, o alumínio cria uma região de tipo P na barra de silício, formando assim uma junção PN. Porque só há uma junção, não é razoável utilizar o termos ânodo ou cátodo, assim a ligação do tipo P é conhecido como o "emissor", enquanto que as duas conexões do tipo N são designados "Base 1" e "Base 2".
  • Em uso, uma tensão de polarização adequada é aplicada entre as duas bases, com a B2 feita positiva em relação a B1. Como a barra do tipo N é resistiva, uma corrente relativamente pequena irá fluir através dele, e a tensão aplicada será distribuída uniformemente ao longo do seu comprimento.
  • Os transistores de Unijunção podem ser aplicados em diversos aparelhos elétricos, com função de temporizadores, geradores de pulsos ou em circuitos osciladores.

Transistor de Efeito de Campo





  • O transistor de efeito de campo (FET) tem o princípio de funcionamento diferente do transistor bipolar. É um dispositivo sensível à tensão, com impedância de entrada elevada, e impedância de saída relativamente alta. O FET é utilizado tanto nos circuitos analógicos como nos digitais, como amplificador ou chave. Existem dois tipos básicos de FET: o FET de junção e o MOSFET de metal óxido semicondutor.
  • Fet de Junção
  • O FET de junção consiste em uma fina camada de material tipo n ou tipo p com dois contatos ôhmicos, a fonte (S) e o dreno (D), e dois contatos retificadores interligados denominados portas (G). Os elétrons livres entram na fonte e saem do dreno (Canal N). A camada condutora entre a fonte e o dreno é chamada de canal. O FET pode ser do tipo n, no qual o canal é do tipo n e as portas são do tipo p; ou do tipo p, sendo o canal tipo p e as portas tipo n.


  • Mosfet
  • O MOSFET é de fabricação simples e ocupa menos espaço. Desta maneira, são amplamente utilizados para integração em larga escala (LSI).
  • Em uma parte da faixa de operação dos MOSFET, eles atuam como elementos resistivos controlados por tensão e ocupam área muito menor que o resistor de CI correspondente.
  • Apresenta alta impedância de entrada (até 1014Ω). Isto significa que a constante de tempo do circuito de entrada é bastante grande para possibilitar que a carga armazenada na pequena capacitância de entrada permaneça por tempo suficiente para que o dispositivo seja utilizável como elemento de memória em circuitos digitais.
  • Possui capacidade de dissipar potências elevadas e comutar grandes correntes em alguns nanossegundos.
  • É menos ruidoso do que um transistor bipolar, e, portanto mais adequando para estágios de entrada de amplificadores de baixo nível (é extensivamente usado em receptores FM de alta fidelidade).
  • Os MOSFETS quando utilizados na configuração complementar CMOS, a dissipação de potência quiescente é essencialmente nula em baixas frequências.


Resumo e Destaque para os Materiais


  • Tanto os diodos quanto os transistores são compostos por Átomos Tetravalentes, ou seja, da família do Carbono. Os mais comuns de serem encontrados nestes componentes eletrônicos são: O Silício e o Germânio. Que são Materiais Semicondutores.
  • Estes Materiais, quando Submetidos ao Processo de Dopagem, que consiste na inserção de átomos de outros materiais entre os átomos tetravalentes. Átomos da família do Boro, dão origem aos semicondutores do tipo P. Já os Átomos da Família do Nitrogênio, dão origem aos Semicondutores do tipo N. (P = positivo/falta de elétrons, N = negativo/excesso de elétrons)
  • Quando é feita a Junção dos dois tipos de Semicondutores, e essa junção é submetida à passagem de corrente, forma-se a polarização do material. De acordo com o sentido da corrente, dá-se a polarização do material.
  • Polarização Direta: P no positivo e N no negativo. Nesta condição, o diodo conduz corrente naturalmente, no caso deste ser ideal, a resistência é nula.
  • Polarização Inversa: N no Positivo e P no negativo. Submetido a esta configuração, o diodo age como um Resistor de elevada impedância, assim podemos interpretá-lo como um circuito aberto, no caso ideal.
  • O Diodo funciona com este princípio básico, que por sua vez é também o princípio do Transistor.
  • O transistor tem 3 terminais, sendo a Base, o Coletor, e o Emissor. Podemos interpretar o Transistor como sendo dois diodos, um da Base para o Emissor, e o outra da Base para o Coletor, ambos com o Negativo na Base.
  • Cada transistor pode ter uma função, normalmente os transistores de junção Bipolar são usados como amplificadores de sinal ou como interruptores para lógica de informática. Que abusa deste dispositivo e depende dele para melhorar sua capacidade de processamento.
  • Existem outros tipo de transistores também, tais como o de Unijunção e o de Efeito de Campo.
  • O de Unijunção é composto por um material semicondutor do tipo N ligado a um fio de Alumínio. Normalmente, este tipo de Transistor é utilizado em Osciladores.
  • O de Efeito de Campo é composto pelos mesmos materiais, com a diferença que a confecção é bem mais simples. normalmente é utilizado como amplificador ou chave.


  • O transistor revolucionou a informática e detém o título de único componente eletrônico a ser digno de um prêmio Nobel.


  • Pesquisadores da Unicamp desenvolveram pela primeira vez no Brasil, com apoio de colegas da USP, um Transistor FinFET, mais popularmente conhecido como 3D. O dispositivo, que ainda está em fase de protótipo, proporciona maior capacidade de processamento e de memória para equipamentos eletrônicos, como tablets, notebooks, televisores etc. “A diferença fundamental entre um transistor planar e um 3D é que no primeiro a corrente é transmitida através de um plano da superfície do silício somente, enquanto no segundo a corrente passa por três planos, um da superfície e dois das paredes verticais, aumentando o desempenho, em tese, em três vezes”.


  • Novo diodo considerado Ideal:
  • Ao contrário dos diodos convencionais, o novo diodo de nanotubos de carbono consegue desempenhar múltiplas funções - como um diodo e dois tipos diferentes de transistores - o que o torna capaz tanto de emitir quanto de detectar luz.É justamente a qualidade dessa junção que responde pela eficiência do componente. O novo diodo de nanotubo tem a máxima eficiência teoricamente possível.
  • No "diodo perfeito", as duas regiões - p e n - são formadas por meio de uma técnica de dopagem eletrostática, que utiliza duas portas separadas, que se acoplam às duas extremidades de um único nanotubo de carbono. Aplicando-se uma voltagem negativa a uma das portas e uma voltagem positiva à outra, forma-se então a junção p-n.

Retificador Controlado de Silício



  • Um dos componentes mais utilizados em projetos que envolvem o controle de motores e de outras cargas de potência é o retificador controlado de silício ou SCR. Este semicondutor capaz de controlar correntes elevadas pode ser utilizado numa infinidade de projetos práticos de mecatrônica.


  • O SCR é um dispositivo de estado sólido usado no controle de potência ou controle de correntes elevadas. O SCR se comporta exatamente como um diodo, conduzindo a corrente entre o ânodo e o cátodo (num sentido único), por isso preferem chama-lo de diodo controlado de silício.


  • As correntes que os SCRs podem conduzir entre o ânodo e o cátodo são muito intensas, mesmo para dispositivos de baixo custo. Desta forma, ligados em série com dispositivos diversos eles podem funcionar como “chaves” eletrônicas, ligando ou desligando esses dispositivos ou ainda “dosando” a potência aplicada.


Como funciona o SCR?

  • Os SCRs são dispositivos semicondutores formados por 4 camadas de materiais P e N colocados numa estrutura alternada.



  • Esta estrutura, de acordo com a figura 1, equivale a dois transistores interligados de modo que um realimente o outro. Dizemos que os dois transistores formam uma “chave regenerativa”.


  • Observe que a base do transistor NPN passa a ser a entrada de disparo do dispositivo ou comporta (gate ou g). O emissor do transistor PNP é o ânodo do SCR e o emissor do transistor NPN o cátodo do SCR.


  • Vamos supor que o SCR seja ligado num circuito simples, em que temos por carga uma lâmpada em série com seu ânodo. Nestas condições, o SCR inicialmente não conduz a corrente e seu ânodo se mantém positivo em relação ao cátodo.
  • Se, por um curto intervalo de tempo aplicarmos na base do transistor NPN (que corresponde ao elemento de disparo do SCR) uma tensão positiva suficiente para polarizar a junção e levar o dispositivo à condução, teremos uma série de fenômenos a serem considerados.
  • O transistor NPN, sendo levado à condução tem sua corrente de coletor polarizando o transistor PNP de modo que ele também conduza, conforme ilustra a figura 2.



  • Com a condução do transistor PNP, passamos a ter uma nova corrente na base do transistor NPN que se soma à corrente provocada pelo disparo e tende a aumentar a condução do NPN e, consequentemente, do PNP.
  • Os dois transistores, num processo de realimentação, são então levados rapidamente à saturação e a corrente pode fluir de modo intenso entre o ânodo e o cátodo do SCR, veja a figura 3.



  • Para transistores comuns ligados na forma indicada, a corrente que flui entre o ânodo e o cátodo não pode ser muito grande, pois ela passa pela base do transistor NPN que suporta, em geral, correntes intensas.


  • No entanto, na estrutura final que se obtém para um SCR, essa corrente pode ser muito maior e o dispositivo pode controlar correntes intensas. Isso significa que dois transistores ligados na forma que usamos para dar as explicações são equivalentes apenas em termos funcionais do SCR, mas não em termos práticos, pois não podem controlar correntes elevadas.


  • Na condução plena o SCR apresenta uma pequena queda de tensão entre o ânodo e o cátodo, da ordem de 2 V. Essa queda de tensão é devida ao fato da corrente precisar passar praticamente por 3 junções ao atravessar o dispositivo, cada qual produzindo uma queda de tensão da ordem de 0,7 V.
  • Ora, como a queda de tensão provoca a produção de calor, o dispositivo deve gerar calor numa quantidade que depende da intensidade da corrente. Para uma corrente de 3 ampères, por exemplo, levando em conta que a queda de tensão é de 2 V, temos uma produção de calor de: P=2x3; P = 6 watts.
  • Assim, levando em conta que os SCRs podem trabalhar com tensões muito altas, como por exemplo ligados diretamente à rede de energia, no controle de um dispositivo de 3 ampères (300 watts na rede de 110V), ele “perde” apenas 6 watts em calor, o que é um excelente rendimento.


  • Mas, voltando ao SCR disparado, vamos supor que desejamos desligar o circuito de carga, ou seja, “cortá-lo”.
  • Conforme vimos, uma vez disparado o SCR se mantém nessa condição mesmo depois que o pulso que provocou sua condução tenha desaparecido porque ele se mantém realimentado.
  • O corte da realimentação não pode ser feito através da comporta nos SCRs comuns (existem tipos especiais em que é possível desligar pela comporta). Não adianta aplicar pulsos “invertidos” ou recorrer a outros artifícios que o SCR não desliga.


Termistores



  • Os termistores são excelentes sensores para aplicações que seja necessário uma alta sensibilidade com as mudanças de temperatura. As aplicações de termistores estão mais voltadas à área média e na biologia.
  • Os termistores fazem parte da classificação de termo-resistência. Termistores são sensores de temperatura fabricados com materiais semicondutores.


  • A resistência elétrica dos termistores pode variar tanto de forma proporcional ou inversa com o aumento de temperatura ao qual o sensor for exposto. Por essa característica é feita uma classificação do termistores, sendo NTC (negative temperature coeficiente) e PTC (positive temperature coeficiente).


  • Comportamento do termistor NTC: O diferencial do NTC é ser muito mais sensível a variações de temperatura, comparado com outros sensores. Porém, o fato de ser mais sensível faz com que se comporte de forma não linear. A curva que define o comportamento da temperatura pela temperatura tem um comportamento exponencial.
  • Os termistores são fabricados de material semicondutor, tais como óxido de níquel, cobalto ou magnésio e sulfeto de ferro. No NTC os óxidos semicondutores reagem de maneira que a resistência decresce exponencialmente com o aumento da temperatura. Como o NTC não possui um comportamento linear da resistência com a variação da temperatura, é necessário a utilização de algum circuito que ajuste a curva exponencial para uma aproximação linear.


Características:

  • Os termistores possuem uma constante de tempo, que considera o tempo levado para que se atinja 63% do valor da próxima temperatura. A constante de tempo do sensor depende diretamente da sua massa e do acoplamento térmico da amostra.
  • No caso de consumo de potência, a corrente necessária para que o termistor comece a atuar é da ordem de 100mA, o que representará uma dissipação de potência de aproximadamente 2mW/°C. A estabilidade do termistor NTC abrange temperaturas de -50°C até 150°C, assim os termistores são sensores muito estáveis e sensíveis a variações pequenas de temperatura. Devido a essas características é utilizado massivamente na área militar.


Fotocondutores


  • Os detectores fotocondutores são diretamente baseados em semicondutores, e neles os fótons são absorvidos pelo material semicondutor, produzindo pares elétron-buraco, que são separados por um campo elétrico. Esses detectores utilizam o efeito fotoelétrico (interno), onde a energia dos fótons é alta o suficiente para levar os elétrons para a banda de condução do material semicondutor.
  • O fotocondutor é essencialmente um resistor sensível à radiação. O esquema de operação de um fotocondutor pode ser visto na figura abaoxo.



  • Um fóton de energia h maior que o gap de energia da banda é absorvido para produzir um par elétron-buraco, alterando consequentemente a condutividade elétrica do semicondutor. Quase sempre, a mudança na condutividade é medida por meio de eletrodos fixados no semicondutor. Para um material com baixa resistência, o fotocondutor é normalmente operado em um circuito de corrente constante. Estes fotocondutores utilizam, geralmente, uma junção p-n composta por dois semicondutores que são escolhidos em função das características que o detector deverá possuir.
  • Exemplos são os fotocondutores compostos por junções de GaAs, GaN e AlGaN, que são largamente utilizados em diversas aplicações


Células Fotovoltaicas


  • Células fotovoltaicas são dispositivos capazes de transformar a energia luminosa, proveniente do Sol ou de outra fonte de luz, em energia elétrica. Uma célula fotoelétrica pode funcionar como geradora de energia elétrica a partir da luz, ou como um sensor capaz de medir a intensidade luminosa.
  • Células geradoras de energia são chamadas também de "células solares", por se aproveitarem principalmente da luz solar para gerar energia elétrica. Atualmente, as células solares comerciais ainda apresentam uma baixa eficiência de conversão, da ordem de 16%. Existem células fotovoltaicas com eficiências de até 28%, fabricadas com arsenieto de gálio, mas o seu custo elevado limita a produção destas células solares ao uso na indústria espacial.
  • Por não gerar nenhum tipo de resíduo, a célula solar é considerada uma forma de produção de energia limpa, sendo alvo de estudos em diversos institutos de pesquisa, um pouco por todo o mundo. A luz solar produz até 1.000 Watts de energia por metro quadrado, o que representa um enorme potencial energético.


Como Surgiram?

  • O efeito fotovoltaico foi descoberto pela primeira vez em 1839 por Edmond Becquerel. Entretanto, só após 1883 que as primeiras células fotoelétricas foram construídas, por Charles Fritts, que cobriu o Selénio semicondutor com uma camada extremamente fina de ouro de forma a formar junções.
  • Ao conjunto de células fotoelétricas chama-se Placa Fotovoltaica cujo uso hoje é bastante comum em lugares afastados da rede elétrica convencional. Existem placas de várias potências e tensões diferentes para os mais diversos usos.


Tipo de Células Fotovoltaicas

  • A primeira geração fotovoltaica consiste numa camada única e de grande superfície p-n díodo de junção, capaz de gerar energia eléctrica utilizável a partir de fontes de luz com os comprimentos de onda da luz solar. Estas células são normalmente feitas utilizando placas de silício.
  • A segunda geração de materiais fotovoltaicos está baseada no uso de películas finas de depósitos de semicondutores. A vantagem de utilizar estas películas é a de reduzir a quantidade de materiais necessários para produzi-las, bem como de custos.
  • A terceira geração fotovoltaica é muito diferente das duas anteriores, definida por utilizar semicondutores que dependam da junção p-n para separar partículas carregadas por fotogestão. Estes novos dispositivos incluem células fotoeletroquímicas e células de nanocristais.


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