LIVRO - Diodo e transistores bipolares

LIVRO - Diodo e transistores bipolares

(Parte 1 de 27)

Diodos

e

Transistores Bipolares:

Teoria e Práticas de Laboratório

Fabiola Fernandes Andrade

Francisco José Alves de Aquino

Fabiola Fernandes Andrade

Francisco José Alves de Aquino

Diodos e

Transistores Bipolares:

Teoria e Práticas de Laboratório

IFCE

Fortaleza, 2010

Sumário

CAPÍTULO 1 – SEMICONDUTORES 7

Introdução 7

1.1 Materiais semicondutores 7

1.1.1 O átomo de silício 8

1.1.2 O átomo de germânio 9

Exercícios 10

1.1.3 Semicondutores do tipo P e N 11

1.1.4 O diodo 12

1.2 Polarização do diodo 14

1.2.1 Polarização direta 15

1.2.2 Polarização reversa 15

Exercícios 16

1.3 Informações Práticas 17

Exercícios 19

Experiência no Laboratório 20

CAPÍTULO 2 – TEORIA DOS DIODOS 22

Introdução 22

2.1 Curva característica do diodo 22

2.2 Polarização Direta 23

2.3 Polarização Reversa 23

2.4 Modelos Do Diodo 23

2.4.1 Diodo Ideal 24

2.4.3 Modelo linearizado 25

Exercícios 25

Experiência no Laboratório 26

CAPÍTULO 3 – CIRCUITOS COM DIODOS 31

Introdução 31

3.1 Tensão Senoidal 31

3.2 Transformador 32

3.3 Circuito Retificador de Meia-Onda 33

3.4 Circuito Retificador de Onda Completa 37

3.5 Retificador Em Ponte 42

3.6 Comparação Entre As Frequências Dos Circuitos Retificadores 45

Exercícios 46

Experiência no Laboratório 49

Capacitor variável 51

CAPÍTULO 4 - CIRCUITOS RETIFICADORES COM FILTRO 52

Introdução 52

4.1 Circuito Retificador de Meia-Onda com Filtro Capacitivo 52

4.2 Circuito Retificador de Onda Completa com Derivação Central e Filtro Capacitivo 55

4.3 Retificador em Ponte com Filtro 58

Exercícios 61

Experiência no Laboratório 64

Introdução 68

5.1 Rádio elementar 68

5.2 Diodo nos circuitos de proteção 68

5.3 Circuito Tanque 69

5.3.1 Propriedades do indutor 69

5.4 Circuito ressonante 70

5.5 Circuito tanque na geração de sinais de rádio 72

Exercícios 73

Experiência no Laboratório 73

CAPÍTULO 6 - CIRCUITOS LIMITADORES (CEIFADORES) E GRAMPEADORES 76

Introdução 76

6.1 Circuitos Limitadores 76

6.2 Circuitos Grampeadores 82

Exercícios 86

Experiência no Laboratório 87

CAPÍTULO 7 – DIODOS ESPECIAIS 90

Introdução 90

7.1 Diodo Zener 90

7.2 Diodo Emissor De Luz (LED) 94

7.3 Diodo Túnel 96

7.4 Diodo Varicap (Varactor ou VVC) 98

Revisão 99

Experiência no Laboratório 102

CAPÍTULO 8- TRANSISTOR BIPOLAR 107

Introdução 107

8.1 Constituição de um transistor bipolar 107

8.2 Polarização do Transistor 108

8.3 Configurações Básicas do Transistor 111

8.3.1 Configuração Emissor comum 111

8.3.2 Configuração Base comum 114

8.4 Transistor como Chave 127

8.5 Transistor como Fonte de Corrente 128

Exercícios 133

Experiência no Laboratório 139

Alarme para porta com transistor 141

Alarme de passagem 142

CAPÍTULO 9 - OUTROS COMPONENTES ELETRÔNICOS 144

Introdução 144

9.1 Transistor de Unijunção (TUJ) 144

9.1.1 Funcionamento 144

9.1.2 Aplicação típica: oscilador de relaxação 145

9.2 DIODO DE QUATRO CAMADAS 146

9.2.1 Funcionamento 146

9.3 Diodo controlado de silício (SCR) 148

9.3.1 Estrutura e funcionamento do SCR 148

9.3.2 Aplicações em CC típicas para o SCR 149

9.4 Diac 150

9.5 Triac 151

9.4.2 Aplicações típicas para o TRIAC 152

Exercícios 155

BIBLIOGRAFIA CONSULTADA 156

CAPÍTULO 1 – SEMICONDUTORES

Introdução

Antes de iniciar o estudo sobre materiais semicondutores, vamos compreender a sua importância e exemplos de aplicações dos componentes que será abordado neste livro.

O homem contemporâneo utiliza no seu dia a dia muitos equipamentos eletrônicos, tais como celular, computador, televisão e vários outros dispositivos. Todos estes equipamentos, no qual o homem faz uso é constituída a base de materiais semicondutores.

Como ocorreu a descoberta destes materiais?

Na década de 1940, um grupo de pesquisadores que trabalham no laboratório Bell Telephone, nos Estados Unidos, estudava um dispositivo eletrônico para substituir os relés que eram utilizados no sistema telefônico. O grupo era formado pelo físico William Schockey, o engenheiro eletricista Jonh Bardeen e o físico Walter Brattain. Este grupo observou que alguns materiais não se comportavam nem como condutores nem como isolantes, ou seja, ora conduzia corrente elétrica ora a bloqueava. Após a descoberta dos materiais semicondutores, foi possível a implementação de diodos, transistores, CIs, etc.

Os países que investiram em materiais semicondutores tiveram um grande avanço em sua economia, uma vez que, constitui em um dos setores mais ativo da indústria.

Com exemplo, podemos citar Taiwan, no qual, antes da década de 1970 era uma economia agrícola, produzia arroz, cana-de–açúcar e abacaxi. A partir da década de 1970 investiu em tecnologia, especialmente em semicondutores. A sua estratégica para o desenvolvimento de uma política industrial e tecnológica foi baseada na experiência de parques tecnológicos (vale do silício).

Na década de 2000, a China inspirou-se no modelo de Taiwam e também investiu em semicondutores com o objetivo de tornar a China o líder mundial em semicondutores em 2010.

Compreender a estrutura química dos materiais semicondutores é de total importância para que possamos entender o funcionamento dos principais componentes da eletrônica como o diodo e o transistor que será abordado com detalhes neste livro.

Manter a liderança dos EUA em micoreletrônica é criticamente importante para a economia e a segurança nacional dos EUA

China´s Emerging Semiconductor Industry, Documento da Semiconductor Industry Association, outubro de 2003.

1.1 Materiais semicondutores

Para o perfeito entendimento sobre os materiais semicondutores, iniciamos fazendo uma revisão sobre a estrutura atômica.

Um átomo é formado por elétrons que giram ao redor de um núcleo composto por prótons e nêutrons.

Os elétrons giram em órbitas ou níveis bem-definidos, conhecidos com K, L, M, N, O, P e Q, que representa o modelo atômico de Bohr, como mostra a Figura 1.1.

Figura 1.1 - Estrutura do átomo

A última órbita de um átomo define a sua valência, ou seja, a quantidade de elétrons desta órbita que pode se libertar do átomo através do bombardeio de energia externa (calor, luz ou outro tipo de radiação) ou se ligar a outro átomo através de ligações covalentes (compartilhamento dos elétrons da camada de valência com os elétrons da camada de valência de outro átomo).

Os materiais semicondutores apresentam 4 elétrons na sua camada de valência (tetravalentes). Não sendo classificados como bons isolantes, nem como bons condutores.

Os semicondutores mais utilizados são o silício e o germânio.

1.1.1 O átomo de silício

O átomo de silício contém 14 prótons e 14 elétrons distribuídos como indicado na Figura 1.2.

Figura 1.2 – átomo de silício

1.1.2 O átomo de germânio

O átomo de germânio contém 32 prótons e 32 elétrons assim distribuídos:

Figura1.3- átomo de gemânio

Devido os átomos de silício e de germânio serem tetravalentes, ou seja, possuir quatro elétrons na última camada, para conseguir a configuração de gás nobre necessitam de mais 4 elétrons para a sua estabilidade.

Quando se tem vários átomos de silício, cada átomo compartilha 4 elétrons com seus átomos vizinhos através da ligação covalente formando uma estrutura molecular forte.

Figura 1.4 - Ligação dos átomos de silício

Uma estrutura cristalina é caracterizada quando os átomos ficam bem organizados, ou seja, em uma forma bem definida. Se a forma fosse desorganizada seria chamada estrutura amorfa.

Quando o cristal de silício é colocado em uma temperatura superior ao zero absoluto (-273 ºC), alguns elétrons da camada de valência se tornam elétrons livres, ou seja, passam para a camada de condução (banda de condução), sendo capazes de se movimentar pelo material. São estes elétrons livres que, sob a ação de um campo elétrico, formam a corrente elétrica.

O elétron ao se tornar livre deixa no lugar um buraco (lacuna).

Na temperatura ambiente um cristal puro, ou seja, formado apenas por um tipo de átomo, ocorre a formação de elétrons livres e lacunas, porém a quantidade de elétrons livres é igual ao número de lacunas, por isso, a neutralidade deste cristal se mantém. (O número de cargas positivas é igual ao número de cargas negativas).

Em um cristal formado por germânio na temperatura ambiente a quantidade de elétrons livres e lacunas são maiores do que no cristal de silício.

Vale ressaltar que a formação de elétrons livres é chamada de GERAÇÃO, e quando se tem um cristal puro, ele é chamado de semicondutor INTRÍNSECO.

Em um semicondutor intrínseco, como existem elétrons livres e lacunas formadas pela energia térmica, os elétrons livres se movem randomicamente através do cristal, que ocasionalmente ocupa uma lacuna (sendo atraído pela lacuna). Quando isto ocorre temos o que é chamado de RECOMBINAÇÃO. A recombinação é o fenômeno que ocorre quando elétrons livres ocupam a lacuna, neste caso, o desaparecimento da carga negativa é acompanhado pelo desaparecimento da carga positiva. A neutralidade do cristal, deste modo é mantida.

O tempo entre a geração e a recombinação é chamado de TEMPO DE VIDA.

Em um semicondutor com o aumento da temperatura temos uma diminuição de sua resistividade, dizemos que estes materiais possuem coeficiente negativo de temperatura, ou seja, qualquer aumento de temperatura corresponde a uma diminuição de sua resistência. Sendo, portanto, diferente do comportamento elétrico dos metais comuns, uma vez que com o aumento da temperatura a corrente terá maior dificuldade de passar, já que o número de elétrons livres é bastante elevado e qualquer aumento da temperatura não causará a libertação de muitos elétrons a mais, mas contribuirá de modo acentuado para um aumento da agitação térmica dos átomos.

Nos metais com o aumento da temperatura a resistência aumenta. Os metais têm, portanto, coeficiente positivo de temperatura.

Exercícios

  1. Complete

  1. Os semicondutores mais utilizados e mais comuns são o ______________ e o _____________.

  2. O átomo de sílicio contém ______________elétrons. Com _______elétrons na camada de valência.

  3. O átomo de germânio contém_____________elétrons. Com________elétrons na camada de valência.

  4. Os átomos de silício e de germânio por serem _____________, necessitam de mais________ elétrons para conseguir a configuração de gás nobre.

  5. Cada átomo compartilha ______elétrons com seus átomos vizinhos através da ligação ___________________.

  6. Na temperatura ambiente, alguns elétrons da camada de valência se tornam ____________________________.

  7. A formação de elétrons livres é chamada ________________________.

  8. A ocupação de um elétron livre na lacuna é chamada __________________________.

  9. O tempo entre a geração e recombinação é chamado ______________________.

1.1.3 Semicondutores do tipo P e N

Em um semicondutor podem-se acrescentar impurezas para se obter excesso de elétrons livres ou excesso de lacunas.

O silício e o germânio são tetravalentes, isto é possuem 4 elétrons na camada de valência.

Quanto substâncias pentavalentes (possuem 5 elétrons na camada de valência), são adicionadas ao cristal puro, a configuração de gás nobre não é obtida, como se observa na Figura 1.5.

Figura 1.5 – Estrutura de silício dopada com antimônio (Sb).

A cada átomo pentavalente que é adicionado, sobra um elétron, pois apenas 4 elétrons se ligam aos átomo de silício, pois o silício possui 4 elétrons e só necessita de mais 4 elétrons para conseguir a configuração de gás nobre.

Nesse semicondutor temos o chamado material tipo N, pois em toda a sua estrutura, a quantidade de elétrons livres é superior à quantidade de lacunas, como indica a Figura 1.6.

N

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