02 - Semicondutores

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I
Capítulo 2
+
SEMICONDUTORES
Para entender como os diodos, transistores e circuitos integrados funcionam, você
precisa primeiro estudar os semicondutores: materiais que não são condutores nem
isolantes. Os semicondutores contêm alguns elétrons livres, mas o que os faz diferentes
é a presença de lacunas. Neste capítulo, você aprenderá sobre semicondutores,lacunas
e outros tópicos relacionados.
Apósoestudodestecapítulo,vocêdeverásercapazde:
~ Identificar, nos níveis atômicos, as características dos bons condutores e
dos semicondutores.
~ Descrever a estrutura de um cristal de silício.
~ Classificar os dois tipos de portadores com os tipos de impurezas que
fazem com que cada um deles seja portador majoritário.
~ Explicar as condições que existem na junção pn de um diodo não-polari-
zado, um diodo diretamente polarizado e um diodo reversamente polari-
zado.
~ Explicar os dois tipos de rupturas provocadas por uma tensão reversa
excessiva no diodo.
I
23
24 Eletrônica - 4g Edição - Volume 1 Cap.2
2.1 CONDUTORES
o cobre é um bom condutor. A razão desse fato fica clara quando olhamos sua
estrutura atômica, conforme mostrado na Figura 2.1. O núcleo ou o centro do átomo
contém 29 prótons (cargas positivas). Quando um átomo de cobre tem uma carga neutra,
29 elétrons (cargas negativas) orbitam o núcleo, como os planetas em torno do sol.
ÓrbitasEstáveis
O núcleo positivo da Figura 2.1 atrai os elétrons planetários. A razão pela qual esses
elétrons não se chocam com o núcleo é a força centrífuga ou força externa criada por
seu movimento orbital. Quando um elétron está numa órbita estável, a força centrífuga
é exatamente igual à força de atração do núcleo. A força centrífuga diminui quando o
elétron gira mais lentamente. É por isso que um elétron numa órbita maior gira mais
lentamente que um elétron numa órbita menor. É necessária uma força centrífuga
menor para anular a atração do núcleo.
A ParteCentraldoÁtomoe o ElétronLivre
Na Figura 2.1, o núcleo e os elétrons internos não são de muito interesse no estudo da
eletrônica. Nosso interesse maior ao desenvolver este livro serão as órbitas externas,
também chamadas órbitas de valência. Essa órbita externa controla as propriedades
elétricas do átomo. Para enfatizar a importância da órbita externa, podemos definir a
parte central do átomo como sendo o núcleo e todas as órbitas internas. Para um átomo
de cobre, a parte central é o núcleo (+29) e suas três primeiras órbitas (-28).
A parte central de um átomo de cobre tem uma carga líquida igual a +1
porque ele contém 29 prótons e 28 elétrons internos. Como o elétron de valência ~stá
numa órbita muito grande em torno da parte central com uma carga líquida de apenas
+1, a atração pelo elétron externo é muito pequena. Em razão dessa pequena atração, o
elétron externo é às vezes chamado elétronlivre.
..
'"
Cap.2 Semicondutores 25
Figura2.1 o átomo de cobre.
A Principal Idéia
A idéia que você deve ter sempre em mente sobre um átomo de cobre é: como o elétron
de valência é levemente atraído pela parte central, uma força externa pode facilmente
deslocar esse elétron livre do átomo de cobre. Por isso o átomo de cobre é um bom
condutor. A menor tensão pode fazer com que o elétron livre num fio de cobre circule
de um átomo para outro. Os melhores condutores (prata, cobre e ouro) possuem um
simples elétron de valência.
I'
Exempto2.1
2.1.
Como o
cobre fica!
ou mais d~
chamado
carregado
26 Eletrônica - 4a Edição - Volume 1 Capo2'
2.2 SEMICONDUTORES
Um semicondutor é um elemento de valência quatro. Isso significa que um átomo
isolado desse material possui quatro elétrons na sua órbita mais externa ou órbita de
valência. O número de elétrons na órbita de valência é a chave para a condutibilidade.
Os condutores possuem apenas um elétron de valência, semicondutores possuem
quatro elétrons de valência e isolantes, oito elétrons de valência.
oGermânio
O germânio é um exemplo de um semicondutor. A Figura 2.2 mostra um átomo de
germânio. No centro, há um núcleo com 32 prótons. Desta vez, os elétrons distribuem-
se nas suas órbitas como segue: 2 elétrons na primeira órbita, 8 na segunda e 18 na
terceira. Os últimos quatro elétrons estão na órbita mais externa ou órbita de valência.
Figura2.2 o átomo de germânio.
Cap.2 Semicondutores 27
oSilício
o material semicondutor mais usado é o silício. Um átomo isolado de silício possui 14
prótons e 14 elétrons. Conforme mostrado na Figura 2.3, a primeira órbita contém 2
elétrons e a segunda, 8 elétrons. Os 4 elétrons restantes estão na órbita externa ou órbita
de valência.
"
Na Figura 2.3,o núcleo e as duas primeiras órbitas formam a partecentraldo
átomo de silício. Essa parte central tem uma carga líquida igual a +4 por causa dos 14
prótons no núcleo e os 10 elétrons nas duas primeiras órbitas. Observe os quatro
elétrons na órbita externa ou de valência. Isso nos diz que o silício é um semicondutor.
Figura2.3 o átomo de silício.
de
28 Eletrônica - 4~ Edição - Volume 1 Cap.2
2.3 OS CRISTAISDE SILíCIO
Quando átomos de silício se combinam para formar um sólido, eles são arranjados
segundo um padrão ordenado chamado cristal.Cada átomo de silício cede seu elétron
aos outros átomos de silício, assim a órbita de valência fica com oito elétrons, conforme
mostrado na Figura 2.4. Sempre que um átomo fica com oito elétrons na sua órbita de
valência conforme mostrado aqui, ele torna-se quimicamente estável. Os círculos ha-
churados representam as partes centrais do silício. Embora o átomo central original-
mente tenha quatro elétrons em sua órbita de valência, ele agora possui oito elétrons
em sua órbita.
Figura2.4 Ligações covalentes.
As LigaçõesCovalentes
Cada átomo vizinho cede um elétron com o átomo central. Desse modo, todos os
átomos centrais contribuem para que haja quatro elétrons adicionais dando um total de
oito elétrons na sua órbita de valência. Na verdade, os elétrons não pertencem mais a
um átomo isolado; eles são agora compartilhados pelos átomos adjacentes.
Na Figura 2.4, cada parte central tem uma carga igual a +4. Observe o átomo
do centro e sua parte central da direita. Essa~ duas partes centrais atraem o par de
elétrons com forças iguais e opostas entre eles. E essa força de atração nos dois sentidos
que mantém os átomos de silício agrupados. O efeito é similar ao do jogo do cabo de
guerra, que mantém os times presos por puxarem o cabo. Enquanto os dois times
puxarem com forças iguais e opostas, eles permanecerão ligados uns aos outros.
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1
l'
I
I
lr
~
Cap,2 Semicondutores 29
Como cada elétron cedido na Figura 2.4 está sendo puxado em sentidos
opostos, o elétron é uma ligação entre as partes centrais opostas. Esse tipo de ligação
química é conhecidocomo ligaçãocovalente.Num cristal de silício,existembilhões de
átomos de silício, cada um com oito elétrons de valência. Esses elétrons de valência são
as ligações covalentes que mantêm os átomos de cristal unidos, formando o sólido.
ApenasOitoElétronsdeValência
r
Cada átomo de um cristal de silício tem oito elétrons em sua órbita de valência. Esses
oito elétrons produzem uma estabilidade química que resulta num pedaço de material
sólido. Existem equações matemáticas avançadas que explicam parcialmente por que
oito elétrons produzem a estabilidade química em diferentes materiais, mas nenhuma
sabe na verdade por que o número oito é tão especial. É uma das leis experimentais,
como a lei da gravidade.
A órbita de valência não pode sustentar mais de oito elétrons. Por isso, ela é
descrita como preenchida ou saturada quando contém oito elétrons. Além disso, os oito
elétrons de valência são chamados elétrons de ligação,porque estão fixos pelos átomos.
Por causa desses elétrons de ligação, um cristal de silício é um isolante quase perfeito
na temperatura ambiente (aproximadamente25°C).
1,
A EnergiaTérmicaPodeDar Origema umaLacuna
t
A temperatura ambiente é aquela que circunda o ar. Quando a temperatura ambiente
está acima do zero absoluto(-273°C),a energia térmica do ar em torno faz os átomos do
cristal de silício vibrar num vaivém dentro do cristal de silício. Quanto mais alta a
temperatura, mais fortes são as vibrações mecânicas desses átomos. Quando você toca
num objeto quente, o calor que você sente é provocado por essas vibrações dos átomos.
As vibrações dos átomos de silício podem, ocasionalmente, deslocar um elétron da
órbita de valência. Quando isso ocorre, o elétron liberado ganha energia suficiente para
passar para outra órbita maior, conforme mostra a Figura 2.5.
Nessa órbita maior, ele se torna um elétron livre. Além disso, a saída do
elétron deixa um vazio na órbita de valência que é chamado lacuna. Essa lacuna
comporta-se como uma carga positiva, porque ela pode atrair e manter capturado
qualquer elétron nas proximidades.
30 Eletrônica - 4g Edição - Volume 1 Cap.2
Figura2.5 A energia térmica produz elétron livre.
Recombinaçãoe TempodeVida
Num cristal de silício puro, são criados iguais números de lacunas e de elétrons livres
pela energia térmica (aquecimento). Os elétrons livres se movem randomicamente
através do cristal. Ocasionalmente, um elétron livre se aproxima de uma lacuna, é
atraído e capturado. Essa união de um elétron livre com uma lacuna é chamada
recombinação.
O tempo entre a geração de um elétronlivre e seu desaparecimentoé chama-
do tempode vida. Ele varia de alguns nanossegundos até vários microssegundos,
dependendo da perfeição do cristal e de outros fatores.
AsPrincipaisIdéias
Num instante qualquer, no interior de um cristal de silício, estão acontecendo os
seguintes fatos:
1.
2.
Estão sendo gerados elétrons livres e lacunas pela energia térmica.
Estão ocorrendo recombinações com outros elétrons livres e lacunas.
3. Existem alguns elétrons e algumas lacunas num estado intermediário,
que ainda não foram previamente gerados nem foram recombinados.
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f
r.
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I
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I
J
Capo2 Semicondutores 31
Exemplo2.3
dee1étrons livres e
Se um
quantas lacunas
lacunas se
Solução
Observe.a
sempre o
livres,há também!
Uma temperatulrá.
significa
do valor
elétrons
atômicos, o que
número de
2.4 SEMICONDUTORESINTRíNSECOS
Um semicondutor intrínsecoé um semicondutor puro. Um cristal será um semicondu-
tor intrínseco se todos os átomos do cristal forem de silício. Na temperatura ambiente,
um cristal de silício comporta-se como um isolante aproximadamente, porque ele tem
apenas alguns elétrons e lacunas produzidos pela energia térmica.
o FluxodeElétronsLivres
A Figura 2.6 apresenta uma amostra de um cristal de silício entre placas metálicas
carregadas. Suponha que a energia térmica tenha gerado um elétron livre e uma
lacuna. O elétron livre está numa órbita maior à direita do cristal. Devido à carga
negativa da placa, o elétron livre será repelido para a esquerda. Esse elétron livre pode
mover-se de uma órbita para a próxima até alcançar a placa positiva.
t
32 Eletrônica - 4g Edição - Volume 1 Cap.2
oFluxode Lacunas
Observe a lacuna à esquerda na Figura 2.6. Essa lacuna atrai o elétron de valência no
ponto A. Isso faz com que o elétron de valência mova-se para a lacuna. Essa ação não é
a mesma da recombinação, na qual um elétron livre cai numa lacuna. Em vez de um
elétron livre, temos um elétron de valência movendo-se para uma lacuna.
Quando o elétron de valência no ponto A move-se para a esquerda, ele gera
uma nova lacuna no ponto A. A nova lacuna no ponto A pode então atrair e capturar
outro elétron de valência. Desse modo, elétrons de valência podem viajar ao longo do
caminho mostrado pela seta. Isso significa que uma lacuna pode mover-se no sentido
oposto, ao longo do caminho A-B-C-D-E-F.
Figura2.6 Fluxo de lacunas.
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
ELÉTRON LIVRE-.
LACUNA
2.5 DOISTIPOSDEFLUXOSDECORRENTE
A Figura 2.7 mostra um semicondutor intrínseco. O número de elétrons livres é igual
ao número de lacunas. Isso ocorre por causa da energia térmica que produz pares de
elétrons livres e lacunas. A tensão aplicada força os elétrons livres a se deslocar para a
esquerda do cristal e as lacunas deslocam-se para a direita. Quando os elétrons livres
chegam ao final do lado esquerdo do cristal, eles passam para o fio externo e circulam
para o terminal positivo da bateria. Por outro lado, os elétrons livres no terminal
negativo da bateria circularão para a direita do cristal. Nesse ponto, eles passam para o
cristal e recombinam-se com as lacunas que chegam até o lado direito do cristal. Desse
modo, ocorre um fluxo estável de elétrons livres e lacunas dentro do semicondutor.
t
I
Cap.2 Semicondutores 33
-----
+ + + + + + +
Figura2.7 o semicondutor intrínseco.
Na Figura 2.7, os elétrons livres e as lacunas movem-se em sentidos opostos.
A partir daqui, vamos visualizar a corrente num semicondutor como o efeito combina-
do de dois tipos de fluxos: o fluxo de elétrons livres num sentido e o fluxo de lacunas
no sentido oposto. Os elétrons livres e as lacunas são chamados às vezes de portadores,
porque transportam uma carga igual de um lugar para outro.
2.6 DOPAGEMDEUMSEMICONDUTOR
f
Uma forma de aumentar a condutibilidade de um semicondutor é pela dopagem. Isso
significa adicionar impurezas aos átomos de um cristal intrínseco para alterar sua
condutibilidade elétrica. Um semicondutor dopado é chamado semicondutor extrínseco.
AumentandoosElétronsLivres
..
I
I
I
I
1
I
Como as indústrias dopam um cristal? O primeiro passo é fundir um cristal puro de
silício. Isso quebra as ligações covalentes e muda um silício do estado sólido para o
líquido. Para aumentar o número de elétrons livres, são adicionados átomos pentavalen-
tes ao silício em fusão. Átomos pentavalentes possuem cinco elétrons na órbita de
valência. Alguns exemplos de átomos pentavalentes são antimônio e fósforo. Como
esses materiais doam um elétron extra para o cristal de silício, às vezes são chamados
de impurezas doadoras.
A Figura 2.8a mostra como a estrutura do cristal de silício é alterada após ter
sido esfriada e solidificada. Um átomo pentavalente fica no centro cercado por quatro
átomos de silício. Como antes, os átomos vizinhos cedem um elétron com o átomo
central. Mas dessa vez existe um elétron extra à esquerda e acima. Lembre-se de que
cada átomo pentavalente possui cinco elétrons de valência. Como somente oito elé-
trons podem ser fixados pela órbita de valência, permanece um elétron extra na órbita
maior. Em outras palavras, um elétron livre.
!
1
~
34 Eletrônica - 48 Edição - Volume 1 Cap.2
Cada átomo pentavalente ou átomo doador num cristal de silício produz um
elétron livre. É desse modo que é controlada a condutibilidade de um semicondutor na
indústria. Quanto mais adicionamos impurezas, maior a condutibilidade. Assim, um
semicondutor pode ser fracamente ou fortemente dopado. Um semicondutor fraca-
mente dopado tem uma alta resistência, enquanto um semicondutor fortemente dopa-
. do apresenta uma baixa resistência.
. ELÉTRON LIVRE
(a) (b)
Figura2.8 (a) Aumentando os elétrons livres; (b) aumentando as lacunas.
Aumentandoo Númerode Lacunas
Como podemos dopar um cristal puro de silício para obter um excesso de lacunas?
Utilizando impurezas trivalentes,cujos átomos possuem apenas três elétrons de valên-
cia. Podemos citar como exemplo o alumínio, boro e gálio.
A Figura 2.8b mostra um átomo trivalente no centro. Ele é cercado por quatro
átomos de silício, cada um cedendo um de seus elétrons de valência. Como o átomo
trivalente originalmente tinha apenas três elétrons de valência e cada átomo vizinho
cede um de seus elétrons, restam apenas sete elétrons na órbita de valência. Isso
significa que existe uma lacuna na órbita de valência de cada átomo trivalente. Um
átomo trivalente é também chamado átomo receptor,porque cada lacuna para a qual ele
contribui pode receber um elétron livre durante a recombinação.
-
t
r
Cap.2 Semicondutores 35
PontosQueDevemSer lembrados
Para um fabricante poder dopar um semicondutor, ele precisa antes produzir um
cristal puro. Depois, pelo controle da quantidade deimpurezas, ele pode controlar
precisamente as propriedades do semicondutor. Historicamente, os cristais de germâ-
nio eram mais fáceis de ser produzidos do que os cristais puros de silício. É por isso que
os primeiros dispositivos semicondutores eram feitos de germânio. Eventualmente, as
técnicas de fabricação melhoraram e os cristais puros de silício tornaram-se mais
viáveis. Por causa dessa vantagem, o silício tornou-se o mais popular e o mais usado
material semicondutor.
I
l
1
de
~
I
1
2.7 DOISTIPOSDESEMICONDUTORESEXTRíNSECOS
Um semicondutor pode ser dopado para ter um excesso de elétrons livres ou um
excesso de lacunas. Por isso, existem dois tipos de semicondutores.
t
1
o SemicondutorTIpon
o silícioque foi dopado com uma impureza pentavalente é chamado semicondutor
tipo n, onde n está relacionado com negativo. A Figura 2.9 mostra um semicondutor
tipo n. Comoos elétronslivres excedemem número as lacunasnum semicondutortipo
n, os elétrons livres são chamados portadores majoritários e as lacunas, portadores minori-
tários.
1
36 Eletrônica - 4g Edição - Volume 1 Cap.2
++++++++
++++++++
++++++++
++++++++
++++++++
++++++++
++++++++
++++++++- - - -
Figura2.9 o semicondutor tipo n.
Por causa da tensão aplicada, os elétrons livres dentro do semicondutor
movem-se para a esquerda e as lacunas para a direita. Quando uma lacuna chega à
extrema direita do cristal, um dos elétrons livres do circuito externo entra no semicon-
dutor e recombina-se com a lacuna.
Os elétrons livres mostrados na Figura 2.9 circulam para a extrema esquerda
do cristal, onde passam para o fio e circulam para o terminal positivo da bateria. Além
desses elétrons livres, ocasionalmente um elétron de valência deixa o lado esquerdo do
cristal e passa para o fio.
oSemicondutorTipop
Um silício que foi dopado com uma impureza trivalente é chamado semicondutor tipo
p, onde p representa positivo. A Figura 2.10 mostra um semicondutor tipo p. Como as
lacunas excedem em número os elétrons livres, elas são chamadas de portadores
majoritários e os elétrons livres são chamados portadores minoritários.
------------------------------------------------------------------------
+ + + +
Figura2.10 Semicondutor tipo p.
*
I
I
1
Cap.2 Semicondutores 37
Por câtisà da tensão aplicada, os elétrons livres movem-se para a esquerda e
as lacunas, gãra a direita. Na Figura 2.10, as lacunas que chegam à extrema direita do
cristal recomoinam-se com os elétrons livres do circuito externo.
Existe também um fluxo de portadores minoritários na Figura 2.10. Os elé-
trons livres dentro do semicondutor circulam da direita para a esquerda. Pelo fato de
existirem tão poucos portadores minoritários, eles quase não têm efeito no circuito.
2.8 o 01000 NÃO-POLARIZADO
I
t
Por si só, um pedaço de semicondutor tipo n tem a mesma utilidade de um resistor de
carbono; o mesmo pode ser dito do semicondutor tipo p. Mas quando um fabricante
dopa um cristal, de modo que metade dele seja do tipo p e a outra metade seja do tipo
n, acontece um fato novo.
Aborda entre o tipo p e o tipo n é chamada junção pn. Ajunção pn deu origem
a todos os tipos de invenções, incluindo diodos, transistores e circuitos integrados. A
compreensão da junção pn permite que você entenda todos os tipos de dispositivos
semicondutores.
t.
I oDiodoNão-Polarizado
Conforme discutido no capítulo anterior, cada átomo pentavalente num cristal de
silício produz um elétron livre. Por essa razão, podemos visualizar um pedaço de
semicondutor tipo n, conforme mostrado no lado direito da Figura 2.11. Cada círculo
com sinal de mais representa um átomo pentavalente e cada sinal de menos é um
elétron livre que ele forneceu para o semicondutor.
De modo similar, podemos visualizar os átomos trivalentes e as lacunas de
um semicondutor tipo p, conforme mostrado no lado esquerdo da Figura 2.11. Cada
sinal de menos dentro do círculo representa um átomo trivalente e cada sinal de mais é
urna lacuna na sua órbita de valência. Observe que cada pedaço de material semicon-
dutor está eletricamente neutro, porque o número de sinais de mais é igual ao de sinais
de menos.
i
Um fabricante pode produzir um cristal simples com um material tipo p de
um lado e um material tipo n do outro, conforme mostrado na Figura 2.12. Ajunção é
a borda onde as regiões do tipo p e do tipo n se encontram, e diododejunçãoé outro
nome para um cristal pn. A palavra diodo é a contração de dois eletrodos, onde di
representa" dois" .
38 Eletrônica - 43 Edição - Volume 1 Cap.2
+ +
~ ~
+ + +
~ ~ ~
+ + + +
~ ~ ~ ~
+ + + +
~ ~ ~ ~
+
~
Figura2.11
- - - -
~ ~ ~ ~
- - - -
~ ~ ~ ~
- - - -
~ ~ ~ ~
- - - -
~ ~ ~ ~
Pedaços separados de semicondutores.
+ +
~ ~
+ +
~ ~
+
~
+
~
+ +
~ ~
+ +
~ ~
+ +
~ ~
+ + +
~ ~ ~
Figura2.12 o cristal.
A CamadadeDepleção
- - - -
~ ~ ~ ~
- - - -
~ ~ ~ ~
- - - -
~ ~ ~ ~
- - - -
~ ~ ~ ~
Por causa da repulsão entre eles,os elétrons livres no lado n da Figura 2.12tendem a se
difundir (espalhar) em todas as direções. Alguns dos elétrons livres se difundem através
da junção. Quando um elétron livre penetra na região p, ele setoma um portador minori-
tário. Com tantas lacunas a suavolta, esseportador minoritário tem pouco tempo de vida.
Logo que ele entra na região p, o elétron livre cai numa lacuna. Quando isso ocorre, a
lacuna desaparecee o elétron livre passaa ser um elétron de valência.
Cada vez que um elétron se difunde através da junção, ele gera um par de
íons. Quando um elétron sai do lado n, ele deixa para trás um átomo pentavalente que
ébrevemente uma carga negativa; esseátomo pentavalente passa a ser um íon positivo.
Após a imigração, o elétron cai numa lacuna do lado p e faz com que o átomo trivalente
que o capturou tome-se um íon negativo.
A Figura 2.13 mostra essesíons em cada lado da junção. Dentro dos círculos,
os sinais de mais são os íons positivos e os sinais de menos, os íons negativos. Os íons.
são presos na estrutura do cristal por causa das ligações covalentes e não podem
mover-se como os elétrons livres e as lacunas.
Cada par de íons positivo enegativo na junção é chamado de dipolo.A geração
de um dipolo significa que um elétron livre e uma lacuna saíram de circulação. Como
o número de dipolos aumenta, a região próxima da junção fica vazia de portadores.
Chamamos essaregião vazia de camadadedepleção.
Cap.2 Semicondutores 39
+
~
+
~
- - -
~ ~ ~ ~
- - -
~ ~ ~ ~
- - -
~ ~ ~
J
+ +
~ ~
+ + +
~ ~ ~
+ + +
~ ~ ~
- - -
~ ~ ~
Figura2.13 A camada de depleção.
~
A BarreiradePotencial
"
f
Cada dipolo possui um campo elétrico entre o íon positivo e o íon negativo. Portanto,
quando elétrons livres adicionais penetram na região da camada de depleção, o campo
elétrico tenta empurrá-Ios de volta para a região n. A intensidade do campo elétrico
aumenta à medida que os elétrons cruzam a junção até que o equiHbrio seja atingido.
Para uma primeira aproximação, isso significa que o campo elétrico eventualmente
interrompe a difusão de elétrons por meio da junção.
Na Figura 2.13, o campo elétrico entre os íons é equivalente a uma diferença
de potencial chamada barreirade potencial.À temperatura de 25°C, a barreira de poten-
cial é aproximadamente igual a 0,3V para os diodos de germânio e 0,7 V para os diodos
de silício..',
2.9 A POLARIZAÇÃODIRETA
A Figura 2.14 mostra uma fonte ccalimentando um diodo. O terminal negativo da fonte
está conectado ao material tipo n e o terminal positivo está conectado ao material tipo
p. Essa conexão é chamada polarizaçãodireta.
oFluxo de ElétronsLivres
A corrente circula facilmente num circuito como o da Figura 2.14. Por quê? Porque a
bateria força os elétrons e as lacunas a se mover em direção à junção. Quando os
elétrons livres se movem para a junção, íons positivos são gerados na extrema direita
do cristal. Esses íons positivos puxam os elétrons do circuito externo para o cristal.
Desse modo, elétrons livres podem sair do terminal negativo da fonte cce circular para
a extrema direita do cristal.
40 Eletrônica - 4g Edição - Volume 1 Cap.2
p n+ +
~ ~ ~
+ +
~ ~
+ +
~ ~ ~
~ ~ ~
~ ~ ~
~ ~ ~
+
v~
Figura2.14 A polarização direta.
Quando olhamos para a Figura 2.14, vemos o seguinte. Elétrons entram pela
extrema direita do cristal, enquanto a massa de elétrons na região n move-se na direção
da junção. Aborda esquerda desse grupo em movimento desaparece quando ela atinge
a junção (os elétrons recombinam-se com as lacunas). Desse modo, há uma contínua
enxurrada de elétrons do terminal negativo da fonte de alimentação em direção à
junção.
o FluxodeElétronsdeValência
o que ocorre com os elétrons que desaparecem na junção? Eles se tornam elétrons de
valência. Como elétrons de valência, eles se movem através das lacunas na região p. Em
outras palavras, os elétrons de valência no lado p se movem em direção à junção.
Quando os elétrons de valência alcançam a extrema esquerda do cristal, deixam o
cristal, passam para o circuito externo e circulam até o terminal positivo da fonte.
Recapitulação
Aqui está o que ocorre com um elétron na Figura 2.14:
1. Após ter deixado o terminal negativo da fonte, ele entra pela extrema
direita do cristal.
2.
3.
Ele viaja através da região n como um elétron livre.
Na junção, ele se recombina com uma lacuna e se torna um elétron de
valência.
4. Ele viaja através da região p como um elétron de valência.
Cap.2 Semicondutores 41
5. Após deixar a extrema esquerda do cristal, ele circula para o terminal
positivo da fonte.
o QueDeveSerlembrado
A corrente circula facilmente num diodo de silício com polarização direta. Enquanto a
tensão aplicada for maior que a barreira de potencial, haverá uma corrente incessante
no circuito. Em outras palavras, se a fonte de tensão for maior que 0,7 V,um diodo de
silício produz uma corrente incessante no sentido direto.
ExeD1plo2,ti
Suponha qu~ 'à
para você?
"'
Solução
Na Figura 2.1~1
que a COIT'
1 mA na
junção e.l
2.10 A POLARIZAÇÃO REVERSA
~-=-- Inve;;a a posição da bateria e terá polarizado reversamente o diodo, conforme mostra-
do na Figura 2.15. Dessa vez, o terminal negativo da bateria está conectado ao lado p e
o terminal positivo da bateria, ao lado n. Essa conexão é chamada polarizaçãoreversa.
"
42, Eletrônica - 4GEdição - Volume 1 Cap.2
p n
+ + +
~ ~ ~
+ +
~ ~
+ + +
~ ~ ~
- - -
~ ~ ~ ~
- - -
~ ~ ~ ~
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v -==-
+
Figura2.15 A polarização reversa.
A Largurada Camadade Depleção
o terminal negativo da bateria atrai as lacunas e o terminal positivo da bateria atrai os
elétrons livres. Por isso, lacunas e elétrons livres circulam afastando-se da junção.
Portanto, a camada de depleção fica maior.
Até quanto a camada de depleção aumenta? Quando as lacunas e os elétrons
movem-se afastando-se da junção, os novos íons recentemente gerados aumentam a
diferença de potencial. Quanto mais larga for a camada de depleção, maior será a
diferença de potencial. A camada de depleção pára de aumentar quando sua diferença
de potencial se iguala à tensão reversa aplicada. Quando isso ocorre, elétrons e lacunas
cessam seus movimentos, afastando-se da junção.
Algumas vezes, a camada de depleção é mostrada com uma região sombrea-
da, conforme aparece na Figura 2.16. A largura dessa região sombreada é proporcional
à tensão reversa. Com o aumento da tensão reversa, a camada de depleção fica mais
larga.
p n
v -==-
+
Figura2.16 A camada de depleção.
~
I
/,
"1-'
Cap.2 Semicondutores 43
A CorrentedePortadoresMinoritários
Existe alguma corrente após a camada de depleção ser estabilizada? Sim. Existe uma
pequena corrente com a polarização reversa. Lembre-se de que a energia térmica gera
pares de elétrons livres e lacunas incessantemente. Isso significa que existem alguns
poucos portadores minoritários nos dois lados da junção. Muitos deles se recombinam
com os portadores majoritários. Mas aqueles dentro da camada de depleção podem
não existir suficientemente para cruzar a junção. Quando isso ocorre, uma pequena
corrente circula pelo circuito externo.
A Figura 2.17 ilustra essa idéia. Suponha que a energia térmica tenha gerado
um elétron livre e uma lacuna próximos da junção. A camada de depleção empurra o
elétron livre para a direita, forçando um elétron a deixar a extrema direita do cristal. A
lacuna na camada de depleção é empurrada para a esquerda. Essa lacuna extra no lado
p admite a entrada de um elétron pela extrema esquerda do cristal, que cai na lacuna.
Como a energia térmica está incessantemente gerando pares de elétrons e lacunas
dentro da camada de depleção, teremos uma pequena corrente contínua pelo circuito
externo.
A corrente reversa provocada pelos portadores minoritários produzidos ter-
micamente é chamada corrente de saturação.Nas equações, a corrente de saturação é
simbolizada por Is' O nome saturaçãosignifica que não podemos obter mais portadores
minoritários do que os gerados pela energia térmica. Em outras palavras, aumentando
a tensão reversa, não aumentamos o número de portadores minoritários gerados
termicamente. Isso é uma função da temperatura apenas.
p n
+ + +
eeee ~~~~
+ + + + - - - -
eeee ~~~~
+++ ---
eeee ~~~~
v-=-
+
Figura2.17 A corrente de portadores minoritários.
44 Eletrônica - 4" Edição - Volume 1 Cap.2
Quanto maior a temperatura na junção, maior a corrente de saturação. Con-
forme mencionado anteriormente, o silício tomou-se o semicondutor dominante na
indústria. Uma das razões é que existem menos portadores minoritários nos diodos de
silício que nos diodos de germânio. Em outras palavras, um diodo de silício tem uma
corrente de saturação muito menor que um diodo de germânio com as mesmas formas
e dimensões.
A Correntede Fugada Superfície
Além da corrente devida aos portadores minoritários gerados termicamente, existe
alguma outra corrente circulando pelo diodo polarizado reversamente? Sim. Circula
uma pequena corrente pela superfície do cristal. Conhecida como correntedefuga da
superfície,ela é causada pelas impurezas na superfície e pelas imperfeições na estrutura
do cristal. (Se você quer saber mais sobre isso, veja os "Tópicos Opcionais" .)
o QueDevemoslembrar
A corrente reversa total num diodo consiste de uma corrente de portadores minoritá-
rios (muito pequena e que depende da temperatura) e uma corrente de fuga da
superfície (muito pequena e diretamente proporcional à tensão). Em muitas aplicações,
a corrente reversa num diodo de silício é tão pequena que não a notamos. A idéia
principal a ser lembrada é que: a correnteé aproximadamentezeronum diododesilício
reversamentepolarizado.
2.11 RUPTURA
Os diodos têm tensões nominais máximas. Existe um limite do valor de tensão reversa
que um diodo pode suportar antes de ser destruído.
o EfeitoAvalanche
Continue a aumentar a tensão reversa e você atingirá sua tensão de ruptura. Para os
diodos retificadores(aqueles fabricados para conduzir melhor de um modo que de
outro), a tensão de ruptura é usualmente maior que 50 V.
(
r
,~ t
~<r
..,.
Cap.2 Semicondutores 45
Uma vez atingida a tensão de ruptura, um grande número de portadores
minoritários aparece repentinamente na camada de depleção e o diodo conduz forte-
mente.
De onde vêm esses portadores? Elessãoproduzidos pelo efeitoavalanche(veja
a Figura 2.18), que ocorre em tensões reversas altas. Aqui está o que acontece. Como
sempre, existe uma pequena corrente reversa de portadores minoritários. Quando a
tensão reversa aumenta, ela acelera os portadores minoritários. Esses portadores mino-
ritários colidem com os átomos do cristal. Quando esses portadores minoritários
adquirem energia suficiente, podem chocar-se e liberar elétrons de valência, isto é,
produzir elétrons livres. Esses novos portadores minoritários somam-se aos já exis-
tentes e colidem com outros átomos. O processo é geométrico porque um elétron livre
libera um elétron de valência obtendo, portanto, dois elétrons livres. Esses dois elétrons
livres, por sua vez, libertam mais dois elétrons, obtendo quatro elétrons livres. Esse
processo continua até que a corrente reversa se torne alta.
v
Figura2.18 Avalanche.
A Figura 2.19 mostrauma visão ampliada da camada de depleção. A polariza-
ção reversa força o elétron livre a se mover para a direita. À medida que ele se
movimenta, adquire uma aceleração. Quanto maior a tensão reversa, maior é a acelera-
ção do elétron. Se a alta velocidade do elétron fornecer energia suficiente, pode arran-
car o elétron de valência do primeiro átomo e levá-Io para uma órbita maior. Isso
resulta em dois elétrons livres. Esses dois aceleram e deslocam outros dois elétrons.
Desse modo, o número de portadores minoritários fica muito alto e o diodo conduz
intensamente.
A tensão de ruptura de um diodo depende do nível de dopagem. Com os
diodos retificadores (o tipo mais comum), a tensão de ruptura é geralmente maior que
50 V.Quando usar um diodo retificador, você não deve exceder sua tensão de ruptura.
Eletrônica - 4GEdição - Volume 1 Cap.246
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@
@
Figura2.19 Como ocorre a avalanche.
o EfeitoZener
Quando um diodo é fortemente dopado, a camada de depleção é muito estreita. Por
isso, o campo elétrico na camada de depleção (tensão dividida por comprimento) é
muito intenso. Quando a intensidade do campo atingir aproximadamente 300.000
V/ cm, o campo elétrico será forte o suficiente para arrancar os elétrons de suas órbitas
de valência.Ageraçãode elétrons livres desse modo é chamadaefeitoZener(conhecida
também como emissãodealto campo).Isso é distintamente diferente do efeito de avalan-
che, o qual depende da alta velocidade dos portadores minoritários que deslocam os
elétrons livres.
o efeito Zener produz rupturas com tensões abaixo de 4 V,enquanto o efeito
avalanche requer uma tensão reversa de pelo menos 6 V.Quando a tensão de ruptura
ocorre entre 4 e 6 V,ambos os efeitos podem estar presentes.
If!l
t.'
,c.;.t .
'I 1
r
Cap.2 Semicondutores 4í
TÓPICOSOPCIONAIS
o material a seguir dá prosseguimento às discussões precedentes em um nível mais
avançado. Todos os tópicos são opcionais porque não são usados em qualquer das
discussões dos próximos capítulos.
2.12 NíVEISDEENERGIA
Para uma boa aproximação, podemos identificar a energia total de um elétron pelas
dimensões de sua órbita. Isto é, podemos pensar em cada raio da Figura 2.20a como
equivalente ao nível de energia na Figura 2.20b.Elétrons em órbitas menores estão nos
primeiros níveis de energia; elétrons na segunda órbita estão nos segundos níveis de
energia, e assim sucessivamente.
1
~~
~~
(a)
r3
r2
rI
(b)
Figura2.20 Os níveis de energia.
48 Eletrônica - 4~ Edição - Volume 1 Cap.2
AltaEnergianasÓrbitasMaiores
Como o elétron é atraído pelo núcleo, é necessária uma energia extra para o elétron ser
levado para uma órbita maior. Quando um elétron sai de sua primeira ou segunda
órbita, ele ganha energia potencial em relação ao núcleo. Algumas das formas de
energia externas que podem levar elétrons para uma órbita maior são calor, luz e
tensão.
Por exemplo, assuma que uma força externa leve o elétron da primeira para a
segunda órbita. Esse elétron possui mais energia potencial, pois ele está mais afastado
do núcleo. A idéia é similar à de um objeto sobre a Terra. Quanto mais alto o objeto,
maior sua energia potencial em relação à Terra. Se o objeto for solto, ele pode cair e
realizar um trabalho quando atingir o solo.
A QuedadoElétrone a LuzIrradiante
Após um elétron ser levado para uma órbita maior, ele pode voltar para seu nível de
energia original. Quando isso ocorre, o elétron devolve sua energia extra em forma de
calor, luz ou outro tipo de irradiação. A energia perdida pela volta do elétron é igual à
quantidade de energia que é irradiada do átomo. Como elementos diferentes têm
diferentes níveis de energia, a cor da luz irradiada (vermelha, verde, laranja etc.)
depende do material usado.
O princípio de funcionamento do diodo emissor de luz (LED) baseia-se nos
níveis de energia. Com esse tipo de dispositivo, a tensão aplicada leva os elétrons aos
níveis mais altos de energia. Quando eles voltam para seus níveis originais, devolvem
a energia em forma de luz. Dependendo do material utilizado, a luz pode ser vermelha,
verde, laranja, azul etc.
As Bandasde Energia
Na temperatura de zero absoluto, o semicondutor intrínseco da Figura 2.21 não tem
elétrons livres. Uma forma de entender isso é pelo conceito de níveis de energia. Dois
elétrons num cristal não podem ter exatamente os mesmos níveis de energia. Por isso,
todos os elétrons na primeira órbita têm níveis de energia ligeiramente diferentes. É
por isso que o primeiro nível de energia na Figura 2.21 é mostrado como uma banda de
níveis de energia em vez de uma linha reta horizontal. De modo similar, os elétrons da
segunda órbita ficam dentro da segunda banda e os elétrons de valência, na banda de
valência.
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1')
r
I
J
1St
'-'I,' .
,1:1J
Cap.2 Semicondutores 49
. .
. .
BANDA DE CONDUÇÃO
BANDA DE VALÊNCIA
2S0C
2"BANDA
-273°C 1"BANDA
Figura2.21 As bandas de energia para um semicondutor intrínseco.
Na temperatura de -273°C (temperatura de zero absoluto), todos os elétrons
de valência estão firmemente presos à banda de energia de valência. Mas na tempera-
tura ambiente, a energia térmica pode ocasionalmente levar um elétron de valência
para a banda de condução. A energia adicional permite que alguns elétrons sejam
retirados da banda de valência para a banda de condução, conforme mostrado na
Figura 2.21. Os elétrons livres ficam nas órbitas da banda de condução, enquanto as
lacunas ficam nas órbitas da banda de valência.
As Bandasde EnergiadoCristalTipon
Qual é a aparência das bandas de energia de um semicondutor tipo n?Na temperatura de
zero absoluto, a banda de condução possui muitos elétrons livres, mas a banda de valência
não tem lacunas. Na temperatura ambiente, porém, a energia térmica produz alguns
portadores minoritários. A Figura 2.22 ilustra essa situação. A banda de condução tem
muitos elétrons livres, enquanto a banda de valência tem apenas algumas lacunas.
AsBandasde Energiade CristalTipop
Qual é a aparência das bandas de energia de rim semicondutor tipo p? Na temperatura
de zero absoluto, a banda de condução não possui elétrons livres, enquanto a banda de
valência não tem muitas lacunas produzidas pela dopagem. Na temperatura ambiente,
porém, a energia térmica produz alguns portadores minoritários. A Figura 2.23 ilustra
essa situação. A banda de condução tem apenas alguns elétrons livres, enquanto a
banda de valência tem muitas lacunas.
50 Eletrônica - 4G Edição - Volume 1 Cap.2
Figura2.22
Figura2.23
2.13
.
.
.
.
.
.
..
25°C
BANDA DE CONDUÇÃO
2~BANDA
1~BANDA
As bandas de energia para os semicondutores tipo n.
-273°C
~
25°C
-273°C
.
BANDA DE CONDUÇÃO
1~BANDA
As bandas de energia para os semicondutores tipo p.
COLINA DE ENERGIA
Para entender os dispositivos semicondutores dos tipos mais avançados, você precisa-
rá conhecer como os níveis de energia controlam a ação de uma junção pn.
f
I
"J
ta
I
'I" .
Cap.2 Semicondutores 51
Antesda Difusão
Supondo uma junção abrupta (aquela que muda repentinamente do material tipo p
para o tipo n), qual será a aparência do seu diagrama de energia? AFigura 2.24amostra
as bandas antes da difusão dos elétrons por meio da junção. O lado p possui muitas
lacunas na banda de valência e o lado n tem muitos elétrons livres na banda de
condução. Mas por que as bandas do lado p estão ligeiramente mais altas que as bandas
do lado n?
O lado p tem átomos trivalentes com uma parte central de carga +3, mostrada
na Figura 2.24b. Por outro lado, o lado n tem átomos pentavalentes com uma parte
central de carga +5 (Figura 2.24c). Uma parte central +3 exerce em um elétron uma
atração menor que uma parte central +5. Portanto, as órbitas de um átomo trivalente
(lado p) estão ligeiramente mais altas que as órbitas de um átomo pentavalente (lado n).
É por essa razão que as bandas p na Figura 2.24aestão ligeiramente mais altas.
ENERGIA
ÓRBITAS DA BANDA DE CONDUçÃO
JUNÇÃO
.
I
BANDA DE.. . ...CONDUçÃO
L
p
o 0000 oo 0000 BANDA DEVALÊNCIA
n
(a) (b) (c)
Figura 2.24 As bandas de energia antes da difusão.
Uma junção abrupta como a da Figura 2.24aé uma idealização, pois o lado p
não pode terminar repentinamente e logo a seguir iniciar um lado n. Um diodo
fabricado tem uma mudança gradativa de um material para o outro. Por essa razão, a
Figura 2.25amostra um diagrama de energia mais real de uma junção de diodo.
NoEquilíbrio
.}
Quando o diodo é formado, inicialmente não existe a camada de depleção (Figura
2.25a).Nesse caso, os elétrons livres irão difundir-se por meio da junção. Em termos de
níveis de energia, isso significa que os elétrons próximos à parte superior da banda de
condução se movem pela junção, conforme descrito anteriormente. Imediatamente
após ter cruzado a junção, um elétron livre recombina-se com uma lacuna. Em outras
52 Eletrônica - 4g Edição - Volume 1 Cap.2
palavras, o elétron passará da banda de condução para a banda de valência. Quando
faz isso, ele emite calor, luz ou outra forma de irradiação. Essa recombinação cria não
somente a camada de depleção, mas também muda os níveis de energia n~ junção.
A Figura 2.25b mostra o diagrama de energia após a formação da camada de
depleção. As bandas p movem-se para cima em relação às bandas n. Como você pode
ver, a parte de baixo de cada banda p fica no nível da parte de cima da banda n
correspondente. Isso significa que elétrons do lado n não têm energia suficiente para
cruzar a junção. A seguir, damos uma explanação simplifica da de por que a banda p
move-se para CIma.
ENERGIA ENERGIA
BANDA DE CONDUçÃO
-. ..........
p n p
. ..........
BANDA DE VALÊNCIA
n
o o b o
o o b o
(a) (b)
ÓRBITA DA BANDA DE ÓRBITA DA BANDA DE CONDUçÃO
CONDUçÃO COM LACUNA COM A LACUNA PREENCHIDA
LACUNA
PREENCHIDA
(c) (d)
Figura 2.25 A difusão muda as bandas de energia.
A Figura 2.25c mostra uma órbita da banda de condução em torno de átomos
trivalentes antes de ter acontecido a difusão. Quando um elétron se difunde através da
junção, ele cai numa lacuna de um átomo trivalente (Figura 2.25d).Esse elétron extra na
órbita de valência fará com que a órbita da banda de condução seja empurrada para
I
1
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\I
Cap.2 Semicondutores 53
fora, afastando-se do átomo trivalente, conforme mostrado na Figura 2.25d. Portanto,
qualquer outro elétron que entrar nessa área necessitará de mais energia que o anterior
para fazer parte da órbita da banda de condução. Dito de modo diferente, a órbita da
banda de condução maior significa que o nível de energia é maior. Isso é equivalente a
dizer que as bandas p se movem para cima em relação às bandas n depois de a camada
de depleção ter sido formada.
No equilíbrio, os elétrons da banda de condução do lado n viajam em órbitas
que não são grandes o suficiente para alcançar o lado p (Figura 2.25b). Em outras
palavras, os elétrons do lado n não têm energia suficiente para atravessar a junção. Se
um elétron tentar se difundir pela junção, o caminho que ele encontrará irá parecer-se
com uma colina,uma colinade energia (vejaa Figura 2.25b).O elétronnão pode subir
essa colina a não ser que receba alguma energia de uma fonte de tensão externa.
A PolarizaçãoDireta
A polarização direta diminui a colina de energia (veja a Figura 2.26). Em outras
palavras, a bateria aumenta o nível de energia dos elétrons livres, o que equivale a
forçar a banda n para cima. Por isso, os elétrons livres adquirem energia suficiente para
entrar na região p. Assim que entra na região p, cada elétron cai numa lacuna (caminho
A). Como um elétron de valência, ele continua sua jornada em direção ao final esquer-
do do cristal.
ENERGIA
.. . . . .. .....
p
I
AI
~
n
Figura 2.26 As bandas de energia com a polarização direta.
Um elétron da banda de condução pode cair numa lacuna mesmo antes de
cruzar a junção. A Figura 2.26 mostra como um elétron de valência pode cruzar a junção
da direita para a esquerda. Isso deixa uma lacuna imediatamente à direita da junção.
Essa lacuna não tem uma existência muito longa. Um elétron da banda de condução
logo preenche essa lacuna (caminho B).
54 Eletrônica - 4GEdição - Volume 1 Cap.2
Independentemente do local de onde ocorre a recombinação, o resultado é o
mesmo. Uma corrente constante de elétrons livres move-se em direção à junção, recom-
binando-se com as lacunas próximas da junção. Os elétrons capturados (agora elétrons
de valência) movimentam-se para a esquerda numa corrente constante através das
lacunas na região p. Desse modo, obtemos um fluxo contínuo de elétrons através do
diodo.
A propósito, quando os elétrons livres caem da banda de condução para a
banda de valência, eles irradiam seus excessos de energia na forma de calor e luz. Com
um diodo comum, a irradiação é em forma de energia térmica, que não tem um
propósito útil. Mas com um diodo emissor de luz (LED), a irradiação é uma luz
colorida que pode ser vermelha, verde, azul ou laranja. Os LEDs são largamente
usados como indicadores luminosos em instrumentos eletrônicos, teclados de compu-
tadores, equipamentos de consumo e outros.
2.14 BARREIRADEPOTENCIALETEMPERATURA
A temperatura ambienteé a temperatura do ar em volta do componente. A temperatura
na junção é a temperatura dentro do diodo, exatamente na junção do material tipo p
com o tipo n.
Qual é a
Solução
Se a
para
e
O valor da barreira de potencial depende da temperatura na junção. Uma
temperatura alta gera mais elétrons livres e lacunas. Esses elétrons extras e lacunas
reduzem a largura da camada de depleção, equivalente a diminuir a barreira de
potencial. Muitas pessoas usam a seguinte regra prática para estimar a variação na
barreira de potencial: a barreirade potencialdiminui 2 mV paracadagrau Celsiusde
aumentona temperatura,para diodostanto degermânioquanto desilício.
I
t
Capo2 Semicondutores 55
2.15 01000 REVERSAMENTEPOLARIZADO
Vamos discutir algumas idéias um pouco mais avançadas sobre um diodo reversamen-
te polarizado. Para começar, você sabe que a largura da camada de depleção varia
quando a tensão reversa varia. Vamos ver o que isso implica.
A CorrentedeTransiente
Quando a tensão reversa aumenta, lacunas e elétrons movem-se afastando-se da jun-
ção. Como os elétrons livres e as lacunas afastam-se da junção, eles deixam íons
positivos e negativos atrás de si. Portanto, a camada de depleção fica mais larga.
Quanto maior a polarização reversa, mais larga é a camada de depleção. Enquanto a
camada de depleção ajusta-se à sua nova largura, circula uma corrente no circuito
externo. Essa corrente de transiente cai a zero após a camada de depleção parar de
crescer.
o tempo que a corrente de transiente circula depende da constante de tempo
RC do circuito externo. Isso ocorre tipicamente na faixa de nanossegundos. Por isso,
você pode desprezar os efeitos da corrente de transiente abaixo de 10 MHz, aproxi-
madamente.
A CorrentedeSaturaçãoReversa
A Figura 2.27 ilustra a corrente de saturação em termos das bandas de energia. Supo- i
nha que um par de elétrons livre-lacuna seja gerado na área da junção A e B. O elétron I
livre em A vai descer a colina de energia, empurrando um elétron para fora do lado
direito da banda de condução. De modo similar, um elétron de valência desce a colina
dentro da lacuna em B. A descida do elétron de valência deixa uma lacuna atrás de si.
Essa lacuna extra no lado p deixa um elétron entrar pelo lado esquerdo do cristal.
56 Eletrônica - 4g Edição - Volume 1 Cap.2
.
.
.. .. ..
Figura 2.27 A corrente de saturação reversa.
Quanto maior for a temperatura, maior será a corrente de saturação. Um valor
aproximado útil que você deve lembrar é: 15dobra para cada 10°C de aumento na
temperatura. Isso representa um aumento de 7% na corrente de saturação para cada
grau Celsius de aumento.
A Correntede FugadaSuperfície
Damos a seguir urna explicação resumida da existência dessa corrente. Suponha que os
átomos na parte de cima e na parte de baixo da Figura 2.28asejam átomos da superfície
do cristaLCorno esses átomos não têm vizinhos, eles possuem ligações covalentes
quebradas (lacunas). Visualize essas lacunas ao longo da superfície do cristal mostrado
na Figura 2.28b.Em efeito, a superfície de um cristal é corno um semicondutor tipo p.
Por isso, os elétrons podem entrar pelo lado esquerdo do cristal, viajar através das
lacunas da superfície e deixar o lado direito do cristaL Desse modo, obtemos urna
pequena corrente reversa ao longo da superfície. Ao contrário da corrente de portado-
res minoritários que independe <;iatensão reversa, a corrente de fuga da superfície é
diretamente proporcional à tensão reversa.
++++++++
LIGAÇÕES QUEBRADAS
0=0=0=0
11 11 11 11
0=0=0=0
11 11 11 11
0=0=0=0
LIGAÇÕES QUEBRADAS
(a)
p n
++++++++
V-=-
+
(b)
Figura 2.28 A corrente _defuga da superfície.
Cap.2 Semícondutores 57
Exemplo2.7
Um diodo de silício tem uma corrente de saturação de 5 nA a 25°c. Estime o valor da
corrente de saturação a 1O0"C.
Solução
A corrente de saturação dobra para cada 10°C de aumento na temperatura. Portanto,
ela é igual aIO nA em 3~oC,.~. nAé:\45°Ç, 40 nA a 55°Ç, 80 nA a 65°C, 160 nA a 75°C,
320 nA a 85°C, MOnA a5J5"Cé"t,28fi,A a 1.05°C.LogO, êla éde 1 !-tAaproximadamente
a 100°c.
Lembre-se de que essa regra é apenas uma aproximação. Mas se precisar de
uma resposta mais precisa, use UIDa regra equivalente: 7% de aumento por grau
Celsius de aumento. Nesse casO,
15 = (1,07)(1,07)(1,07)(1,07)(1,07)640 nA = 898 nA
Realmente, um míi\temâ,tico!J!1eSolV'~a'IJiO1pJíK)ble11'l,acomo esse do seguinte
modo: existem sete fatores de 10° e cinco fatores de 1° entre 25"C e 100°c. Portanto,
15 = (27)(1,075)(5 nA) = 898 nA
Exemplo2.8
Um diodo de silício tem uma corrente de saturação de 5 nA e uma corrente de fuga
da superfície de 10 nA quando a tensão reversa é de 15 V. Qual é a corrente reversa
total quando a tensão mversí1li.for<:b.3bradapara 30V?
>,
Solução
A corrente de saturaçãoperIDanece em 5nA porque. a temperatura é o único fator de
variação dessa corrente. Mas, relatei deOhm, a corrente de fuga da superfície será
o dobro. Portanto, a corrente reversa total é
IR; = 5Ji1A + 20 nA = 25 nA
58 Eletrônica - 4g Edição - Volume 1 Cap.2
RESUMO
Seção2.1 Condutores
Um átomo neutro de cobre tem apenas
um elétron em sua órbita. Como esse
elétron simples pode ser deslocado facil-
mente de seu átomo, ele é chamado de
elétron livre. O cobre é um bom condu-
tor porque o menor valor de tensão faz
com que os elétrons livres circulem de
um átomo para outro.
Seção 2.2 Semicondutores
O silício é o material semicondutor mais
largamente empregado. Um átomo iso-
lado de silício tem quatro elétrons em
sua órbita de valência. O número de elé-
trons na órbita de valência é a chave na
determinação de sua condutibilidade.
Os condutores possuem um elétron de
valência, semicondutores possuem qua-
tro elétrons de valência e isolantes, oito
elétrons de valência.
Seção2.3 OsCristaisde Silício
Cada átomo de silício num cristal tem
seus quatro elétrons de valência mais
outros quatro elétrons cedidos pelos áto-
mos vizinhos. Na temperatura ambi-
ente, um cristal puro de silício tem
apenas alguns elétrons livres e lacunas
produzidos termicamente. O tempo
entre a geração e a recombinação de um
elétron livre e uma lacuna é chamado de
tempo de vida.
-==-
Seção 2.4 Semicondutores Intrínsecos
Um semicondutor intrínseco é um semi-
condutor puro. Quando uma tensão ex-
terna é aplicada num semicondutor
intrínseco, os elétrons livres circulam na
direção do terminal positivo da bateria e
as lacunas na direção do terminal negati-
vo da bateria.
Seção2.5 DoisTIposde Fluxosde
Corrente
Existem dois tipos de fluxos de portado-
res num semicondutor intrínseco. Pri-
meiro, há o fluxo de elétron livre através
das órbitas maiores (banda de condu-
ção). Segundo, há um fluxo de lacunas
através das órbitas menores (banda de
valência).
Seção 2.6 Dopagemde um
Semicondutor
A dopagem aumenta a condutibilidade
de um semicondutor. Um semicondutor
dopado é chamado de semicondutor ex-
trínseco.Quando um semicondutor intrín-
seco é dopado com átomos pentavalentes
(doadores), ele tem mais elétrons livres
do que lacunas. Quando um semicondu-
tor intrínseco é dopado com átomos tri-
valentes (receptor), ele tem mais lacunas
do que elétrons livres.
~
"'"'
r
I
I
J
r
T
'"
r
J
Cap.2 Semicondutores 59
Seção 2.7 DoisTIposdeSemicondutores
Extrínsecos
Num semicondutor tipo n os elétrons
livres são portadores majoritários, en-
quanto as lacunas são portadores mino-
ritários.
Seção2.8 ODiodoNão-polarizado
Um diodo não-polarizado tem uma ca-
mada de depleção na junção pn. Os íons
nessa camada de depleção produzem
uma barreira de potencial. Na tempera-
tura ambiente, essa barreira de potencial
é de 0,7V aproximadamente para um dio-
do de silício.
Seção2.9 A PolarizaçãoDireta
Quando uma tensão externa se opõe à
barreira de potencial, o diodo fica direta-
mente polarizado. Se a tensão aplicada
for maior que a barreira de potencial, a
corrente é alta. Em outras palavras, a
corrente circula facilmente quando o
diodo é diretamente polarizado.
Seção 2.10 A PolarizaçãoReversa
Quando uma tensão externa está no
mesmo sentido da barreira de potencial,
o diodo fica reversamente polarizado. A
largura da camada de depleção aumenta
quando a tensão reversa aumenta. A cor-
rente é aproximadamente zero.
Seção2.11 Ruptura
Uma tensão reversa muito alta pode
produzir um efeito de avalanche ou Ze-
ner. Portanto, a corrente alta de ruptura
destrói o diodo. Em geral, os diodos
nunca operam na região de ruptura. A
única exceção é o diodo Zener, um diodo
de aplicação especial que será estudado
num próximo capítulo.
QUESTÕES
1. Quantos prótons existem no núcleo do
átomo de cobre?
a) 1 c) 18
b) 4 d) 29
2. A carga líquida de um átomo neutro de
cobre é
a) O c) - 1
~ +1 ~+4
3. Suponha que um elétron de valência te-
nha sido retirado do átomo de cobre. A
carga líquida do átomo fica sendo
a) O
b) +1
c) -1
d) +4
4. o elétron de valência do átomo de cobre
experimenta que tipo de atração na dire-
ção do núcleo?
a) Nenhuma
b) Fraca
c) Forte
d) Impossível saber
5. Quantos elétrons de valência tem um áto-
mo de silício?
a) O c) 2
b) 1 d) 4
60 Eletrônica - 4~ Edição - Volume 1 Cap.2
-
6. Qual é o semicondutor mais largamente 13. A fração de tempo entre a geração de
empregado? uma lacuna e seu desaparecimento é cha-
a) Cobre mada de
b) Germânio a) Dopagem
c) Silício b) Tempo de vida
d) Nenhum desses c) Recombinação
d) Valência
7. Quantos prótons existem num núcleo de
um átomo de silício? 14. O elétron de valência de um condutor é
a) 4 c) 29 chamado também de um
b) 14 d) 32 a) Elétron de ligação
b) Elétron livre
8. Os átomos de silício combinam-se segundo c) Núcleo
um padrão ordenadamente chamado de d) Próton
a) Ligação covalente
b) Cristal 15. Quantos tipos de fluxos tem um condu-
c) Semicondutor tor?
d) Órbita de valência a) 1 c)3
b) 2 d) 4
9. Um semicondutor intrínseco tem algu-
mas lacunas na temperatura ambiente. O 16. Quantos tipos de fluxos tem um semi-
que originou essas lacunas? condutor?
a) A dopagem a) 1 c) 3
b) Os elétrons livres b) 2 d) 4
c) A energia térmica
d) Os elétrons de valência 17. Quando uma tensão externa é aplicada
num semicondutor, as lacunas circulam
10. Cada elétron de valência num semicon- a) Afastando do potencial negativo
dutor intrínseco estabelece b) Em direção ao terminal positivo
a) Uma ligação covalente c) No circuito externo
b) Um elétron livre d) Nenhum desses
c) Uma lacuna
d) Uma recombinação 18. Quantas lacunas tem um condutor na
temperatura ambiente?
11. A fusão de um elétron livre com uma a) Muitas
lacuna é chamada de b) Nenhuma
a) Ligação covalente c) Apenas aquelas produzidas pela
b) Tempo de vida energia térmica
c) Recombinação d) A mesma quantidade de elétrons
d) Energia térmica
19. Num semicondutor intrínseco, o número
12. Na temperatura ambiente, um cristal de de elétrons livres é
silício age aproximadamente como a) Igual ao número de lacunas
a) Uma bateria b) Maior que onúmero de lacunas
b) Um condutor c) Menor que o número de lacunas
c) Um isolante d) Nenhum desses
d) Um pedaço de fio de cobre
..
I
I
1
t
t
f'
,
20.o valor da temperatura de zero absoluto
é
a) -273°C
b) O°C
c)
d)
25°C
50"C
21. Na temperatura de zero absoluto um se-
micondutor intrínseco
a) Tem alguns elétrons livres
b) Tem muitas lacunas
c) Tem muitos elétrons livres
d) Não tem lacunas nem elétrons
livres
22. Na temperatura ambiente, um semicon-
dutor intrínseco
a) Tem poucos elétrons e lacunas
b) Tem muitas lacunas
c) Tem muitos elétrons livres
d) Não tem lacunas
23. o número de elétrons livres e de lacunas
num semicondutor intrínseco aumenta
quando a temperatura
a) Diminui
b) Aumenta
c) Permanece a mesma
d) Nenhum desses
24. o fluxo de elétrons de valência para a
esquerda significa que o fluxo de lacunas
vai
a) Para a esquerda
b) Para a direita
c) Nos dois sentidos
d) Nenhum desses
25. As lacunas agem como
a) Átomos
b) Cristais
c) Cargas negativas
d) Cargas positivas
26. Quantos tipos de fluxos de corrente exis-
tem num condutor?
a) O b) 1
c) 2 d) 3
Cap.2 Semicondutores 61
27. Quantos tipos de fluxos de corrente exis-
tem num semicondutor?
a) O b) 1
c) 2 d) 3
28. Quantos elétrons de valência existem nos
átomos trivalentes?
a) 1 b) 3
c) 4 d) 5
29. Quantos elétrons de
num átomo doador?
a) 1 b) 3
c) 4 d) 5
valência existem
30. Para produzir um semicondutor tipo p, o
que você usaria?
a) Átomos receptores
b) Átomos doadores
c) Impurezas pentavalentes
d) Silício
31. Em que tipo de semicondutor as lacunas
são portadores minoritários?
a) Extrínseco
b) Intrínseco
c) Tipo n
d) Tipo p
32. Quantos elétrons livres existem num se-
micondutor tipo p?
a) Muitos
b) Nenhum
c) Apenas aqueles produzidos
pela energia térmica
d) O mesmo número de lacunas
33. A prata é o melhor condutor.
elétrons de valência ela tem?
a) 1 c) 18
b) 4 d) 29
Quantos
34. Suponha que um semicondutor intrínseco
tenha um bilhão de elétrons livres na tem-
peratura ambiente. Se a temperatura mu-
dar para 75°c, quantas lacunas existirão?
62 Eletrônica - 4g Edição- Volume1 Cap.2
-
a) Menos de um bilhão
b) Um bilhão
c) Mais de um bilhão
d) Impossível dizer
35. Uma fonte de tensão externa é aplicada
num semicondutor tipo p. Se a extrema
esquerda do cristal for positiva, qual será
o sentido do fluxo dos portadores majori-
tários?
a) Para a esquerda
b) Para a direita
c) Nenhum
d) É impossível dizer
36. Qual dos seguintes itens não se relaciona
com os outros três?
a) Condutor
b) Semicondutor
c) Quatro elétrons de valência
d) Estrutura cristalina
37. Qual das seguintes é considerada aproxi-
madamente a temperatura ambiente?
a) O"C c) 40°C
b) 25"C d) 75"C
38. Quantos elétrons existem na órbita de va-
lência de um átomo de silício dentro do
cristal?
a) 1
b) 4
c) 8
d) 14
39. Os íons positivos são átomos que
a) Ganharam um próton
b) Perderam um próton
c) Ganharam um elétron
d) Perderam um elétron
40. Qual dos seguintes descreve um semi-
condutor tipo n?
a) Neutro
b) Carregado positivamente
c) Carregado negativamente
d) Possui muitas lacunas
41. Um semicondutor tipo p possui lacunas e
a) Íons positivos
b) Íons negativos
c) Átomos pentavalentes
d) Átomos doadores
42. Qual dos seguintes descreve um semi-
condutor tipo p?
a) Neutro
b) Carregado positivamente
c) Carregado negativamente
d) Possui muitos elétrons livres
43. Qual dos seguintes não pode se mover?
a) Lacunas
b) Elétrons livres
c) Íons
d) Portadores majoritários
44. Qual dos seguintes é causa da camada de
depleção?
a) Dopagem
b) Recombinação
c) Barreira de potencial
d) Íons
45. Qual é a barreira de potencial de um dio-
do de silício?
a) 0,3 V
b) 0,7 V
c) 1 V
d) 2 m V por grau Celsius
46. Para que a corrente num diodo de silício
seja alta, a tensão aplicada deve ser maior
que
a) O
b) 0,3 V
c) 0,7 V
d) 1 V
47. Num diodo de silício, a corrente reversa é
geralmente
a) Muito pequena
b) Muito alta
c) Zero
d) Na região de ruptura
--
t
i
I
1
I
t
1-
Cap.2 Semicondutores 63
i
,.
48. A corrente de fuga da superfície é parte
da
a) Corrente direta
b) Ruptura direta
c) Corrente reversa
d) Ruptura reversa
49. A tensão em que se dá a ruptura é cha-
mada de
a) Barreira de potencial
b) Camada de depleção
c) Tensão de joelho
d) Tensão de ruptura
50. A difusão dos elétrons livres por meio da
junção de um diodo não-polarizado pro-
duz
a) polarização direta
b) polarização reversa
c) ruptura
d) camada de depleção
51. Quando a tensão reversa aumenta de 5
para 10 V, a camada de depleção
a) Torna-se menor
b) Torna-se maior
c) Não é afetada
d) Atinge a ruptura
52. Quando um diodo é diretamente polari-
zado, a recombinação dos elétrons livres
com as lacunas deve produzir
a) Aquecimento
b) Luz
c) Irradiação
d) Todos esses
53. Uma tensão reversa de 20 V é aplicada
num diodo. Qual é a tensão na camada
de depleção?
a) OV
b) 0,7 V
c) 20 V
d) Nenhum desses
PROBLEMASBÁSICOS
2.1 Qual será a carga líquida de um átomo de
cobre se ele ganhar três elétrons?
2.2 Qual será a carga líquida de um átomo de
silício se ele perder todos seus elétrons?
2.3 Classifique cada um dos elementos a se-
guir como um condutor ou semicondu-
tor:
a) Germânio
b) Prata
c) Silício
d) Ouro
2.4 Um diodo é diretamente polarizado. Se a
corrente for de 5 mA no lado n, qual é a
corrente em cada um dos seguintes
pontos:
a) No lado p
b) Nos fios conectados
externamente
c) Na função
2.5 Classifique cada um dos seguintes semi-
condutores como tipo n ou tipo p:
a) Dopado com átomos receptores
b) Cristal com impurezas pentavalentes
c) Os portadores majoritários são
as lacunas .
d) Átomos doadores foram adicionados
ao cristal
e) Os portadores majoritários são os
elétrons livres
PROBLEMASAVANÇADOS
2.6 Um projetista deverá usar um diodo de
silício numa temperatura de O' a 75'c.
Quais são os valores m~ximo e mínimo
da barreira de potencial?
64 Eletrônica - 4" Edição - Volume 1 Cap.2
2.7 Um diodo de silício tem uma corrente de
saturação de 10 nA na temperatura de
25°c. Se ele opera numa faixa de tempe-
ratura de 0° a 75"C, quais são os valores
máximo e mínimo da corrente de satura-
ção?
2.8 Um diodo tem uma corrente de fuga da
superfície de 10 nA quando a tensão re-
versa é de 10 V. Qual é a corrente de fuga
da superfície se a tensão reversa aumen-
tar para 50 V?