Uploaded by Yang Medeiros\nMATERIAIS ELÉTRICOS: COMPÊNDIO DE TRABALHOS VOLUME 6\nSUMÁRIO ANÁLISE MICROSCÓPICA DO DIODO ZENER - Luiz Carlos Cavagnoli ..............558 DIODO SCHOTTKY - Larissa Andréia Wagner Machado.......................................572 DIODOS SEMICONDUTORES - Rodrigo Alexssandre Budel.................................592 LED: DIODO EMISSOR DE LUZ - Daniel Motter ....................................................610 MENRISTOR, UM NOVO ELEMENTO PASSIVO - Érika Suek ..............................633 APLICAÇÃO DA CIENCIA DOS MATERIAIS: DIODOS - Diogo Marujo.................641\nANÁLISE MICROSCÓPICA DO DIODO ZENER Luiz Carlos Cavagnoli\n1. INTRODUÇÃO Os componentes semicondutores são utilizados na sua diversidade nos circuitos eletrônicos. Até o momento foram estudados teoricamente e realizadas montagens de circuitos envolvendo diodos semicondutores, resistores, capacitores e transformadores. Além destes componentes, também são intensamente utilizados os diodos zener e os diodos emissores de luz (LED). De uma maneira geral, semicondutores são sólidos nos quais à temperatura de 0 K (zero Kelvin) seus elétrons preenchem todos os estados disponíveis na banda de energia mais alta, isto é a banda de valência. Um fato conhecido na física do estado sólido é que a condutividade elétrica é devida somente aos elétrons em bandas parcialmente cheias. Portanto a condutividade dos semicondutores à temperatura ambiente é causada pela excitação de uns poucos elétrons da banda de valência para a banda de condução. A quantidade de energia necessária para tirar um elétron da banda de valência e 'libertá-lo' na banda de condução é que determina se um sólido será um condutor, semicondutor ou isolante. Para um semicondutor esta energia é em torno de 1eV (elétron-volt), para isolantes este energia é dezenas de vezes maior. Nos condutores existem sempre bandas de energia semi-preenchidas, portanto não existe uma quantidade mínima de energia necessária para se 'libertar' seus elétrons. Nos semicondutores a condutividade não é causada apenas pelos elétrons que conseguiram pular para a banda de condução. Os buracos também chamados de lacunas que eles deixaram na banda de condução também dão contribuição importante. Tão importante que este buracos são tratados como partículas normais com carga positiva, oposta à do elétron. Dentro dos elementos que utilizam esta dopagem esta o diodo. Diodo semicondutor é um dispositivo ou componente eletrônico composto de cristal semicondutor de silício ou germânio numa película cristalina cujas faces opostas são dopadas por diferentes gases durante sua formação. É o tipo mais simples de componente eletrônico semicondutor, usado como retificador de corrente elétrica. Dentro dos vários tipos de diodos esta o Zener.\nDiodo Zener é um tipo de diodo especialmente projetado para trabalhar na região de avalanche, ou seja, na região de ruptura de tensão reversa da junção PN. 2. OS MATERIAIS COMUNS Os materiais são constituídos por átomos, os quais são constituídos de núcleo e eletrosfera. No núcleo encontram-se os prótons e os nêutrons, enquanto que na eletrosfera encontram-se os elétrons, distribuídos em diversas camadas ou níveis. O número de elétrons varia de material para material. Com isto existe uma variação no número de elétrons da última camada (camada de valência). Para que um átomo esteja estável é necessário que a primeira camada possua dois elétrons e a última oito elétrons, para este ficar em condição estável, como um gás nobre. Isto se consegue na natureza, muitas vezes através de doação e recepção de elétrons, ou através do compartilhamento de elétrons entre dois átomos de dois materiais, (covalência). 3. OS SEMICONDUTORES Os materiais semicondutores são materiais, os quais possuem uma resistência situada entre a dos materiais condutores e isolantes. Os principais materiais semicondutores utilizados na eletrônica são o Germânio (Ge) e o Silício (Si), sendo este último o mais utilizado. Recentemente está sendo investindo em pesquisas com materiais semicondutores para aplicação na eletrônica fabricado a partir do carbono, pesquisas estas que já obtiveram sucesso. Nos materiais semicondutores, a camada de valência possui 4 elétrons, como o material tende a possuir oito elétrons na camada de valência, e o elemento semicondutor só possui quatro, este acomoda os seus átomos, simetricamente entre si, constituindo uma estrutura cristalina, através de ligações covalentes.\nnas estruturas cristalinas denominadas “impurezas”. A tendência de formar uma estrutura simétrica faz com que os átomos de “impurezas” se acomodem de tal maneira que produzam elétrons livres. portanto que podem ser deslocados com facilidade (o quinto elétron de cada átomo da impureza). Estas impurezas são elementos cujos átomos possuem três ou cinco elétrons na camada de valência. 3. Estas impurezas são introduzidas dentro do material semicondutor em pequenas quantidades.1 FORMAÇÃO DOS ELEMENTOS TIPO P E N Devido a tendência de transformar-se em uma estrutura simétrica. através de processos de injeção ou difusão. Para se utilizar efetivamente os materiais semicondutores.560 FIGURA 1 – Ligações entre átomes de silício. são introduzidos elementos adicionais. Ou a falta de elétrons no caso da adição de elementos com três elétrons na última camada.2 FORMAÇÃO DO MATERIAL TIPO P Ao realizar a dopagem do material semicondutor (Silício ou Germânio) através da introdução de impurezas com três elétrons na camada de valência como o . 3. um material semicondutor quase não possui elétrons livres.\no Índio.561 Alumínio. Esta falta de elétrons comporta-se como um material apto a receber elétrons (material com carga positiva). o Fósforo. numa das ligações faltará um elétron. porém haverá um elétron. o Boro ou o Gálio. FIGURA 2 – Formação de lacunas em um semicondutor com impurezas tipo p 3. . ou Arsênio.3 FORMAÇÃO DO ELEMENTO TIPO N Ao associarmos um elemento com cinco elétrons na última camada como o Antimônio. pois o elemento contribuiu com apenas três elétrons. temos a formação de ligação covalente entre o material semicondutor e a impureza. Ao introduzir-mos um elemento deste tipo. ao material semicondutor. os mesmos irão formar ligações covalentes. que poderá mover-se pela estrutura com maior facilidade. sendo assim este pode receber um elétron de outra união. está formado o material com carga negativa.\n4 INFLUÊNCIA DA TEMPERATURA NOS SEMICONDUTORES Nos condutores. Já nos semicondutores. . devido a maior repulsão causada na união dos mesmos. 3. um aumento da temperatura ocasiona uma redução da resistência oferecida a passagem da corrente elétrica. um aumento na temperatura.562 FIGURA 3 – Formação de lacunas em um semicondutor com impurezas tipo n FIGURA 4 – condução por por elétrons na banda de condução e lacunas na banda de valência. ocasiona um aumento da resistência oferecida a passagem da corrente elétrica. acontece o contrário.\npor meio de ligações covalentes. e cada um dos quatro . a distribuição e disposição desses átomos pode ser ordenada e organizada e designa-se por estrutura cristalina. cada átomo (representado por Si) une-se a outros quatro átomos vizinhos.563 FIGURA 5 – Gráfico da variação da resistencia em função da temperatura para condutores e semicondutores. Nessa estrutura cristalina. FIGURA 6 – Estrutura cristalina do silício. O Germânio e o Silício possuem uma estrutura cristalina cúbica como é mostrado na seguinte figura. 3.5 ESTRUTURA CRISTALINA DOS SEMICONDUTORES Quando os átomos se unem para formarem as moléculas de uma substância.\neste passa a ser um semicondutor extrínseco. Outra maneira. . todas as ligações covalentes estão completas os átomos têm oito electrões de valência o que faz com que o átomo tenha estabilidade química e molecular. por meio de técnicas especiais. consiste em fazer com que um feixe de luz incida sobre o material semicondutor. mas à temperatura ambiente (20ºC) já se torna um condutor porque o calor fornece a energia térmica necessária para que alguns dos electrões de valência deixem a ligação covalente (deixando no seu lugar uma lacuna) passando a existir alguns eletron livres no semicondutor. Átomos dadores têm cinco eletron de valência (são pentavalentes): Arsénio (AS). Na prática. ou de um cristal onde o número de lacunas seja bem superior ao número de electrões livres. Na prática. aos quais chamamos de impurezas. Quando são adicionadas impurezas a um semicondutor puro (intrínseco) este passa a denominar-se por semicondutor extrínseco. Quando são adicionadas impurezas a um semicondutor puro (intrínseco). consequentemente o material comporta-se como um isolante. À temperatura de zero graus absolutos (-273ºC) comporta-se como um isolante. contudo. logo não há electrões livres e. de modo que dois átomos adjacentes compartilham os dois electrões. necessitamos de um cristal semicondutor em que o número de electrões livres seja bem superior ao número de lacunas. As impurezas usadas na dopagem de um semicondutor intrínseco podem ser de dois tipos: impurezas ou átomos dadores e impurezas ou átomos aceitadores. Fósforo (P) ou Antimónio (Sb). uma determinada quantidade de outros tipos de átomos. Há diversas formas de se provocar o aparecimento de pares eletron-lacuna livres no interior de um cristal semicondutor. Um semicondutor intrínseco é um semicondutor no estado puro. Nessa temperatura. a estrutura cristalina ilustrada na figura só é conseguida quando o cristal de silício é submetido à temperatura de zero graus absolutos (ou -273ºC). Um deles é através da energia térmica (ou calor).564 electrões de valência de um átomo é compartilhado com um eletron do átomo vizinho. Isto é conseguido tomando-se um cristal semicondutor puro (intrínseco) e adicionando-se a ele (dopagem).\nque necessitam de mais um elétron para a neutralização (cristal P). FIGURA 8 – Índio é trivalente. Quanto maior for sua temperatura. 4. Quanto maior a intensidade da dopagem. Gálio (Ga). normalmente feitos de silício e germânio. obterá átomos com sete elétrons na camada de valência. Para a formação do cristal N. Boro (B) ou Alumínio (Al). maior será a condutibilidade pelo fato de que a energia térmica ter a capacidade de quebrar algumas ligações covalentes da estrutura se .565 FIGURA 7 – Arsênio é pentavalente. maior será a condutibilidade dos cristais. pois suas estruturas apresentarão um número maior de portadores livres (lacunas e elétrons livres) e poucas impurezas que impedem a condução da corrente elétrica. Outro fator que influencia na condução desses materiais é a temperatura. Átomos aceitadores têm três eletron de valência (são trivalentes): Índio (In). Para a formação do cristal P. obter-se-á átomos neutralizados (com oito elétrons na camada de Valencia) e um elétrons excedente (cristal N). utiliza-se principalmente o elemento fósforo. utiliza-se principalmente o elemento índio.DIODOS 4. Dopando esses cristais com elementos trivalentes. Dopando os cristais tetravalentes com elementos pentavalentes.1 A DOPAGEM DO DIODO SEMICONDUTOR E OS CRISTAIS P E N A dopagem no diodo é feita pela introdução de elementos dentro de cristais tetravalentes.\npor isso do nome barreira de potencial. que pode chegar aproximadamente a 0. gerando regiões de condução do cristal. a corrente elétrica torna-se alta e a oposição dos portadores livres feita pela barreira de potencial é pequena em relação a tensão de alimentação. reciprocamente. chamada de região de depleção(à qual possui uma barreira de potencial). e entre ambas. esta de maioria neutra. gera-se um pequeno potencial elétrico negativo. chamada de região neutra da junção P-N. 4. nem de carga negativa. nem de carga positiva. Essa barreira de potencial causa uma queda de tensão. isto é. cada face dos dois tipos de cristais(P e N)terá uma determinada característica diferente da oposta. . acarretando no aparecimento de mais portadores livres para a condução de veículo embriagado. outra de maioria positiva. gera-se um pequeno potencial elétrico positivo e com a passagem de elétrons livres para a camada P. gerando uma pequena tensão interna. uma de maioria negativa. Quando a tensão a que é submetido o diodo . OU BARREIRA DE POTENCIAL Da mesma forma que os elétrons livres do cristal N se movimentam.7 volts nos diodos de silício.3V ou <0.alimentado por uma fonte geradora. uma com excesso de elétrons. a corrente elétrica é baixíssima pela oposição ao fluxo de portadores livres feita pela barreira de potencial. as cargas positivas ou lacunas (buracos) conduzem corrente elétrica pelo fato de que uma lacuna é ocupada por um elétron proveniente de uma corrente elétrica que passa sobre o cristal e que força a criação de outra lacuna atrás de si. interferindo na tensão sobre os outros componentes pertencentes ao mesmo circuito do diodo.566 desfaçam. porém se a tensão a que for submetido o diodo for mais alta do que sua barreira de potencial. haverá uma região de equilíbrio por recombinação de cargas positivas e negativas. outra com falta destes (lacunas). Na região neutra não há excesso de elétrons nem lacunas porque alguns elétrons do material tipo N se difundem pela junção e entram em combinação com algumas lacunas(buracos) do material tipo P. Com a passagem de lacunas para a camada N. é a junção entre ambas. Após dopadas. algumas lacunas(buracos) se difundem pela junção e entram em combinação com alguns elétrons do material do tipo N. é menor que sua barreira de potencial(<0.3 volts nos diodos de germânio e 0. Entre as duas regiões.7V). existe uma terceira.2 JUNÇÃO P-N. sendo quase desprezível.\nmovimentando-os e permitindo a passagem de corrente elétrica. A polarização é direta quando o pólo positivo da fonte geradora entra em contato com o lado do cristal P(chamado de anodo) e o pólo negativo da fonte geradora entra em contato com o lado do cristal N(chamado de catodo). Pelo fato de que os diodos fabricados não são ideais(contém impurezas). sem existir um fluxo de portadores livres na junção P-N. se a tensão da fonte geradora for maior que a tensão interna do diodo. que também é quase desprezível. . Assim. os portadores livres se repeliram por causa da polaridade da fonte geradora e conseguiram ultrapassar a junção P-N. Assim. que é quase desprezível. ocasionando no bloqueio da corrente elétrica. Gráfico mostra a curva característica do comportamento do diodo em sua polarização direta e inversa A polarização do diodo é dependente da polarização da fonte geradora.567 4. ocorrerá uma atração das lacunas do anodo(cristal P) pela polarização negativa da fonte geradora e uma atração dos elétrons livres do catodo(cristal N) pela polarização positiva da fonte geradora. a condução de corrente elétrica no diodo(polarização direta) sofre uma resistência menor que 1 ohm. O bloqueio de corrente elétrica no diodo(polarização inversa) não é total devido novamente pela presença de impurezas.3 POLARIZAÇÃO DO DIODO FIGURA 9 – Polarização direta e inversa do diodo. chamada de corrente de fuga. A polarização é indireta quando o inverso ocorre. tendo uma pequena corrente que é conduzida na ordem de microampéres.\nisto é. além de indicar isolação quando ocorre o inverso.5 DIODOS ZENER Quando a tensão inversa aplicada em um diodo atinge determinado valor. assim como qualquer componente eletrônico. Se ele for alimentado com uma corrente ou tensão inversa superior a que ele suporta. porém se os aparelhos de medição indicarem condução dos dois caminhos do diodo. o doido pode danificar. ficando em curto ou em aberto. Utilizando de um ohmímetro ou um multímetro com teste de diodo. operam em determinadas correntes elétricas que são especificadas em seu invólucro ou são dadas pelo fabricante em folhetos técnicos. Se os aparelhos de medição indicarem isolação nos dois caminhos.568 4. Colocando-se as ponteiras de prova desses aparelhos nas extremidades do doido(catodo e ânodo). o diodo passa a conduzir e pequenas variações de tensão produzem grandes variações de corrente. Nessa situação. . pode-se verificar se ele está com defeito. verifica-se que existe condução quando se coloca a ponteira positiva no ânodo e a negativa no catodo. a tensão inversa(quando o diodo está polarizado inversamente) também é um fator que deve ser analisado para a montagem de um circuito e que tem suas especificidades fornecidas pelo fabricante. Assim o diodo está em perfeitas condições de operação e com isso é possível a localização do catodo e do ânodo.4 TESTES COM O DIODO Os diodos. a curva se torna praticamente vertical. ocorre um efeito tipo ruptura.Além da corrente. ele também está defeituoso e em aberto. ele está defeituoso e em curto. 4.\nDetalhes do mecanismo da ruptura não se encaixam no contexto desta página. São amplamente utilizados para fornecer tensões de referência (constantes) em fontes estabilizadas e outros circuitos. A tensão zener é a tensão inversa que se mantém quase constante em uma ampla faixa de corrente. ambos os efeitos estão presentes. Comenta-se apenas que ela pode ocorrer devido ao "efeito avalanche" ou ao "efeito zener". Diodos comuns não devem operar nesse ponto sob pena de danificação. Mas é possível construir diodos que suportam essa condição. . mas o segundo é predominante nos diodos zener. A Figura 10 deste tópico mostra o aspecto típico da curva de um diodo zener com destaque na área de polarização inversa. os chamados diodos zener. Na prática. Diodos zener comerciais são produzidos com tensões desde cerca de 4 volts até algumas centenas de volts.569 FIGURA 10 – Polarização direta e inversa do diodo zener.\noriginando assim a corrente eléctrica inversa. Estes novos electrões libertados e acelerados libertam outros. aumenta também a velocidade das cargas eléctricas (electrões).5. a condução do díodo é explicada exclusivamente pelo efeito de avalanche.6 V (um valor comercialmente disponível). entre 5V e 7V. a tensão Vz do circuito será sempre 5. 4. Para tensões inversas VR. através do choque.5. Supõe-se que a tensão zener do diodo seja por exemplo 5.570 FIGURA 11 – Circuito com diodo zener. originando uma reacção em cadeia. Quando se aumenta o valor da tensão inversa. É evidente que o valor de V não pode subir indefinidamente. Este efeito verifica-se geralmente para tensões inversas VR <5 Volt e o seu valor pode ser variado através do grau de dopagem (percentagem de impurezas) do silício ou do germânio.2 EFEITO DE AVALANCHE Para tensões inversas VR >7 Volt. 4. O circuito da Figura 11 é uma configuração básica (notar o símbolo um pouco diferente do diodo de junção). Fica limitado pela corrente máxima (Iz max na Figura 01) que o diodo zener pode suportar. O diodo zener deve operar sempre na polarização inversa. .1 EFEITO DE ZENER Ao aplicar ao díodo uma tensão inversa de determinado valor (VZ) é rompida a estrutura atómica do díodo e vencida a zona neutra. A velocidade atingida pode ser suficiente para libertar electrões dos átomos semicondutores.6 V. à qual se dá o nome de efeito de avalanche.6 V para qualquer valor da tensão da fonte. Se a tensão variável da fonte (V) se mantém acima de 5. a condução do díodo é explicada cumulativamente pelos dois efeitos (efeito de zener e efeito de avalanche).\nb http://pt. pois a potência do zener e do resistor série seriam muito grandes. 6. REFERÊNCIAS CALLISTER JR.org/wiki/Diodo_zener .mspc.br/eletrn/semic_110.. D. Dispositivos Eletrônicos e Teoria de Circuitos. L. http://www.571 5.joinville. Conforme estudado. R. W. Nashelsky.mundofisico. L.udesc.eng.wikipedia. não se recomenda usar um regulador zener para regular diretamente a tensão da carga. Ciência de Engenharia de Materiais: uma Introdução. CONCLUSÃO Uma das principais aplicações do diodo zener é na implementação de reguladores de tensão. Boylestad.shtml http://www.\nAlém de controlar valores elevados de potência é necessário que haja um bom rendimento destes dispositivos. aumentando a eficiência dos equipamentos para o melhor aproveitamento da energia elétrica. INTRODUÇÃO Os dispositivos semicondutores de potência desempenham um papel fundamental nos sistemas eletrônicos. que mostra os níveis de corrente e tensão para os diversos tipos de aplicações. e eletrônica automotiva. as principais aplicações são: fontes de alimentação para computadores e telecomunicações. Com o aumento da freqüência mais e mais corrente é drenada. sistemas microprocessados. visto que esse também é um recurso limitado para os seres humanos. tem crescido muito nos últimos tempos. com os níveis de corrente crescendo quase na mesma .Estes dispositivos são aplicados em diversos tipos de sistemas.572 DIODO SCHOTTKY Larissa Andréia Wagner Machado 1. FIGURA 1 . com estes sistemas operando em freqüências cada vez maiores.Níveis de tensão e corrente para diversos tipos de aplicações de dispositivos de potência O volume de dados processados pelos sistemas de informação. como ilustra a figura 1. Para tensões abaixo de 100V.\neste transitório resulta numa dissipação de potência que limita a freqüência de chaveamento deste dispositivo. no entanto. Cuja área de operação está bastante relaciona com faixas de alta freqüência devido ao seu tempo de resposta rápido e à sua figura de ruído reduzida. Para diminuir a potência dissipada nos dispositivos. 2. Outra área que tem expandido muito nos últimos tempos é o uso de dispositivos de potência em eletrônica automotiva. da mesma ordem que a corrente na polarização direta. barreira de superfície ou de portadores quentes.573 velocidade da freqüência. o qual apresenta uma queda de tensão da ordem de 1V nestas condições. devido ao seu tempo de resposta rápido e à sua figura de ruído reduzida. nos últimos anos. Outras áreas de aplicação de dispositivo incluem sistemas de radar e lógica . como indutores e transformadores para fontes chaveadas. reduzindo a potência dissipada no estado de condução direta do dispositivo. esse dispositivo tem sido cada vez mais empregado em fontes de potência de baixa tensão/alta corrente e em conversores ac/dc. quando comparado com o diodo Pin. Assim não há a necessidade de sistemas sofisticados de refrigeração. nos anos 70. Estes sistemas operam em altas freqüências devido ao ganho de eficiência e redução do tamanho de certos componentes. Assim. impulsionado pela introdução de sistemas de controle de potência nas cargas que fazem parte do automóvel (lâmpadas.). Já o diodo Schottky dispositivo apresenta uma queda de tensão em polarização direta da ordem de 0. motores etc.55V. tem havido um crescente interesse pelo dispositivo de dois terminais chamado de diodo de barreira Schottky. o diodo Schottky tem a vantagem de trabalhar em alta freqüência por não apresentar corrente de transitório no chaveamento. para que o componente não seja danificado. Com isso há a necessidade de dispositivos semicondutores que operem em alta freqüência. Além disso. foi desenvolvido para suprir os problemas associados com o diodo Pin .apresenta alta quantidade de carga armazenada na transição da polarização direta para a reversa resultando numa alta corrente de transitório. Suas áreas de atuação limitavam-se inicialmente a faixas de altas freqüências. é necessário diminuir a tensão de operação destes dispositivos. que sejam capazes de conduzir elevadas correntes e suportar tensões relativamente altas. O DIODO SCHOTTKY – CONCEPÇÕES GERAIS O diodo Schottky. Mais recentemente.\nníveis baixos de polarização direta etc. FIGURA 2 . alta velocidade de comutação e carga de portadores minoritários armazenada quase nula na comutação. O contato metal semicondutor apresenta algumas características importantes como baixa queda de tensão quando em condução. como mostra a Figura 2. cromo ou tungstênio. O substrato é altamente dopado para minimizar a resistência série do dispositivo e estabelecer um bom contato ôhmico no cátodo do diodo. o que proporciona sua utilização em aplicações de alta freqüência e sistemas que trabalham com baixo nível de tensão. o silício tipo p seja utilizado). platina. como faixas ampliadas de freqüência de operação. 2.574 TTL Schottky para computadores. o nível de portadores minoritários (buracos ou vacâncias) é . instrumentação e conversores analógico-digitais. convencional. a montagem do diodo Schottky resulta em uma região de junção mais uniforme e com um nível elevado de robustez. No metal. Em ambos os materiais (o metal e o semicondutor). Geralmente.1 CARACTERÍSTICAS A montagem dele é bem diferente da junção p-n. Técnicas de fabricação diferentes resultam em conjuntos diferentes de características para o dispositivo. e são usados vários tipos de metal. às vezes. o elétron é o portador majoritário.Diodo de portadores quentes O semicondutor é geralmente de silício tipo n (embora. como molibdênio. misturadores e detectores em equipamentos de comunicações. pois uma junção de metal semicondutor é criada.\nO fluxo intenso de elétrons para o metal cria uma região próxima à superfície de junção com depleção de portadores. O resultado disso é uma “barreira na superfície” entre os dois materiais. Porém para aplicações de baixa tensão. resultando em baixos valores de tensão reversa de ruptura. pois a condução é totalmente realizada pelos portadores majoritários. os elétrons no material semicondutor de silício do tipo n fluem de imediato para o metal agregado. Essa é uma limitação nas características do diodo Schottky. Na junção p-n convencional. o diodo Schottky com substrato de . a alta corrente reversa. Diodos com elevado valor de tensão de ruptura podem ser obtidos utilizando outros materiais semicondutores como o arseneto de gálio (GaAs). A aplicação de uma polarização direta reduz a força da barreira negativa através de atração dos elétrons nessa região pelo potencial negativo aplicado. carbeto de silício (SiC). eles são geralmente chamados de “portadores quentes”. Os diodos Schottky são únicos. existia a injeção de portadores minoritários na região de junção. como a implementação de anel de guarda. e outros.575 insignificante. qualquer elétron (carga negativa) no material de silício enfrenta uma região de portadores livres e uma parede negativa na superfície do metal. Os portadores adicionais no metal estabelecem neste uma “parede negativa”. estabelecendo um fluxo intenso de portadores majoritários. mas agora. Algumas técnicas são utilizadas para aumentar o valor da tensão de ruptura. Portanto. os elétrons são injetados em uma região com a mesma pluralidade de elétrons. mas muito indesejável na região inversamente polarizada. o resultado é uma corrente mais alta para a mesma polarização aplicada em ambas as regiões. na fronteira entre os dois materiais. impedindo qualquer fluxo de corrente. no material de silício. semelhante à região de depleção no diodo de junção p-n. Esse efeito é desejável na região diretamente polarizada. menor que 100V. O resultado é o retorno do fluxo intenso de elétrons através da junção e o eu valor é controlado pelo valor do potencial aplicado. tratamento da superfície do silício. Ou seja. A barreira na junção de um diodo Schottky é menor que a dos dispositivos de junção p-n tanto na região diretamente polarizada quanto na inversamente polarizada. devido ao valor maior da banda de energia proibida. Quando os materiais são unidos. Como os portadores injetados têm um nível de energia cinética muito alta em comparação aos elétrons do metal. ajuste nas características do processo de deposição do metal de contato Schottky. entre outras.\ndevido ao menor custo do processo de fabricação e facilidade de trabalhar com o silício em relação com esses outros materiais. As figuras 3 e 4 mostram a influência da altura da barreira nas características I x V direta e reversa do diodo. também chamada de barreira Schottky.Curvas IXV de diodo Schottky para diferentes valores de altura de barreira Schottky . FIGURA 3 . Alguma característica importante deste dispositivo é a altura da barreira de potencial e corrente de condução reversa. determinam a queda de tensão direta no diodo para determinado valor de corrente de condução. A altura da barreira de potencial (depleção).576 silício é o mais adequado.\n577 FIGURA 4 .Curvas Log(I) x V reversa de diodo Schottky para diferentes valores de altura de barreira Schottky Outra característica importante do diodo Schottky é a possibilidade de operar em altas freqüências. A figura 5 compara um diodo p-n e um diodo Schottky no chaveamento com uma onda quadrada de 5kHz. . já que a corrente neste dispositivo é principalmente resultante do fluxo de portadores majoritários.\nCurvas de transitório dos diodos p-n e schottky para onda quadrada de freqüência de 5khz. Assim. elétrons da superfície do semicondutor são transportados para o metal. antes do contato físico ser estabelecido. A figura mostra que a função trabalho do metal M é maior que a função trabalho do semicondutor S = ( + Ec) ou ainda.1 ANÁLISE AO NÍVEL ATÔMICO O estudo das características do contato metal semicondutor pode ser feito através do diagrama de bandas de energia dos sólidos. Quando os materiais são ligados através de um fio condutor. o nível de Fermi do semicondutor está em um nível mais alto de energia que o nível de Fermi do metal. na região de depleção. deixando íons positivos para manter a neutralidade do sistema. Neste caso. igualando os níveis de Fermi dos materiais. 3. CONTATO METAL-SEMICONDUTOR 3. formando uma região de depleção. de valência e de condução. os elétrons do semicondutor estão em um nível de energia mais alto que os elétrons do metal. A figura 6 mostra o aspecto do diagrama de bandas do contato metal semicondutor ideal. No caso de um . Nesta região há uma concentração menor de elétrons do que no substrato. o sistema busca a situação de equilíbrio. resultando numa inclinação das bandas de energia.578 FIGURA 5 . onde os elétrons do semicondutor e do metal ficam num mesmo nível de energia.\nprovenientes de defeitos cristalográficos. ou impurezas absorvidas na superfície.579 semicondutor tipo n. e ao mesmo tempo os elétrons que deixaram o semicondutor aumentam a carga positiva da região de depleção. o encurvamento das bandas de energia aumenta. A situação limite ocorre quando a distância entre os materiais for nula e então a quantidade máxima de elétrons foi transportada para o metal. pois neste caso os níveis de Fermi dos materiais ficam mais afastados. existe estados na superfície do semicondutor. FIGURA 6 . No caso da junção metal-semicondutor real. inclinam no sentido de que a banda de condução se afaste do nível de Fermi. incluindo a descontinuidade da rede. o . Com isso. pode se observar a formação de uma barreira de potencial que os elétrons devem vencer para passar do semicondutor para o metal. maior será a altura da barreira de potencial do metal para o semicondutor.para semicondutor tipo n e metal com função trabalho maior que do semicondutor. aumentando a largura dessa região. A figura 7 mostra o diagrama de bandas da junção metal semicondutor com estados na superfície. O aumento da concentração de elétrons que vieram do semicondutor faz com que a carga negativa da superfície do metal aumente. Se à distância entre os materiais for menor. resultando numa inclinação máxima das bandas de energia. mais elétrons são transportados para o metal. Observe que quanto maior for a função trabalho do metal. Pode se observar que estes estados estão espalhados na superfície do semicondutor e possui um nível neutro.Diagrama de bandas da junção metal semicondutor em diferentes estados de superfície. Assim. as bandas de energia próxima à superfície. a posição que o nível de Fermi deve ocupar para que a o estiver acima do nível de carga efetiva dos estados de interface seja nula. Se . ou seja. indicando que a concentração de elétrons nesta região é menor.\nEste caso é conhecido como o limite de Bardeen. ela também é menor. os estados da superfície apresentam uma carga efetiva negativa. Dessa forma a região de depleção e o encurvamento das bandas é maior. QD tem valor menor para balancear a carga negativa na superfície do metal. Como a altura da barreira de potencial é proporcional ao encurvamento das bandas. sendo função das características da superfície do semicondutor. QD. os estados da superfície apresentam uma carga efetiva (QSS) positiva. Com isso a largura da região de depleção é menor e conseqüentemente o encurvamento das bandas de energia é menor. Se a densidade de estados na superfície for muito alta. Essa redução na barreira de potencial equivale ao nível o ser “puxado” para baixo para se igualar ao nível de Fermi. Neste caso é necessário uma carga positiva. FIGURA 7 . a altura da barreira de potencial é independente da função trabalho do metal. carga no metal(QM). temos que: QM + QD + QSS = 0. para o caso em que nível de Fermi é fixo no nível o. Portanto se QSS tem valor positivo. No balanço de cargas do sistema. Germânio (Ge) e Arseneto de Gálio (GaAs).Nível neutro ( o ) dos estados de superfície A tabela 1 mostra a função trabalho ( M) de alguns metais e a altura da barreira de potencial medida em barreiras Schottky formadas com Silício (Si).580 Fermi. QSS será suficiente para compensar a carga negativa do metal. maior para balancear a carga negativa. Se em outro caso o estiver abaixo do nível de Fermi. carga na região de depleção(QD) e carga na superfície(QSS). Assim. . resultando no aumento da altura da barreira de potencial.\n50 0.48 0.90 0.Função de trabalho dos metais e a altura de barreira Schottky para alguns semicondutores Ag M (V) n-Ge p-Ge n-Si p-Si n-GaAs p-GaAs 4. . a expressão completa das características J-V é dada pela equação 1.84 W 4. 3) recombinação de portadores na região de carga espacial.61 0. Este fenômeno é descrito pela teoria de emissão termiônica e pela teoria da difusão. (1) Onde a corrente de saturação JS é dada pela expressão 2.90 0. transporte de portadores do semicondutor para o metal sobre a barreira de potencial.48 0. reflexão e tunelamento quântico forem incluídos na análise da corrente na junção metal semicondutor.2 TRANSPORTE DA CORRENTE ELÉTRICA ATRAVÉS DA JUNÇÃO Os principais agentes responsáveis pelo transporte da corrente elétrica na junção .49 0.30 0. Uma síntese dessas duas teorias.63 Al 4.54 0.581 TABELA 1 .67 0. Para o caso de semicondutor moderadamente dopado operando em temperaturas moderadas (próximas da ambiente) a corrente elétrica na junção é predominantemente dos elétrons que atravessam a junção sobre a barreira de potencial. elétrons para semicondutores tipo n e lacunas para os semicondutores tipo p. o que equivale ao movimento de elétrons do semicondutor para o metal. ou seja.50 0.50 Ni 4.80 Au 4.80 0.58 0.80 0. O fluxo de corrente na junção é resultado de vários fenômenos de transporte de portadores: 1) emissão termiônica.25 0.metal/semicondutor . 2) tunelamento (efeito da mecânica quântica).88 0.30 0. foi proposta por Crowell e Sze.30 0. Se os efeitos de espalhamento dos fônons.42 Cr 4. deixando uma lacuna no semicondutor que se recombina com um elétron na região neutra.61 0. denominada teoria difusão-termiônica.78 0.34 0. 4) injeção de portadores minoritários do metal para o semicondutor.80 WSi2 0.são os portadores majoritários.50 0.59 0.54 0. emissão termiônica e difusão.60 0.72 0.51 Pt 5.45 0.65 - 3.\nalém da emissão termiônica. A alta dopagem faz com que o semicondutor seja degenerado e assim a largura da região de depleção se torna muito pequena. Para campos elétricos na faixa de 104 a 2. (4) E para V > (k. chamado de fator de idealidade. operando em temperatura ambiente (T=300K). a corrente de tunelamento torna-se o processo dominante no transporte da corrente elétrica na junção metal semicondutor. recebe o coeficiente n no denominador da exponencial da equação 1.105 V/cm e o semicondutor com concentração ND (dopagem do substrato) de 1016 cm-3.T/q) a exponencial fica muito maior do que 1 e assim a equação 4 pode ser aproximada para a equação 5 (5) O fator de idealidade é dado pela equação 6 (6) .582 (2) O termo A** é a constante de Richardson para uma junção metal semicondutor real. Assim a expressão que calcula a corrente elétrica na junção metal semicondutor. ficando fácil o elétron tunelar através da barreira de potencial. A** 110 A/cm2/K2 para semicondutor tipo n e A** 30 A/cm2/K2 para semicondutor tipo p. (3) Onde fP e fQ são respectivamente a probabilidade de um elétron ser emitido por cima da barreira de potencial e a razão entre a corrente que flui considerando os efeitos quânticos e a corrente que flui sem considerar tais efeitos. Para semicondutores muito dopados ou para dispositivos operando em baixas temperaturas. ou seja. considerando outros fenômenos de transporte de corrente. Esta constante é calculada pela equação 3. considera os efeitos quânticos e de espalhamento dos fônons.\ntécnicas de passivação de estados na superfície da lâmina de silício onde é feito o contato Schottky. alta corrente de fuga. mas para dispositivos de potência. não são bem controlados. levando o dispositivo a apresentar características não desejáveis. ocorre um aumento na taxa de injeção de portadores minoritários devido ao crescimento da componente de deriva que se torna muito maior que a componente de difusão da corrente na junção. como por exemplo. este fenômeno não é muito relevante. e o baixo valor de tensão de joelho (V ) proporcionando uma baixa queda de tensão direta. Quanto mais próximo de 1 for o fator de idealidade melhor é o desempenho do dispositivo. O diodo de barreira Schottky é um dispositivo cujo transporte de corrente é devido aos portadores majoritários. Em dispositivos que operam com tensões baixas. a corrente é devido ao processo de emissão termiônica e para n 1.1 OTIMIZAÇÃO As principais vantagens do diodo Schottky em relação a outros tipos de diodos são: operação em aplicações de alta freqüência. Porém para valores de tensão direta suficientemente alto aplicado na junção. Para n=1. obtendo valores maiores de tensão de ruptura e diminuindo a corrente reversa. Algumas técnicas utilizadas são: construção do dispositivo utilizando lâminas com camada epitaxial de baixa dopagem. além da emissão termiônica. pois os outros processos de transporte de corrente na junção. outros processos contribuem no valor da corrente na junção. a corrente devido à injeção de portadores minoritários pode representar uma significante parcela do valor total da corrente que atravessa a junção Schottky. Mas existem algumas técnicas utilizadas no projeto deste diodo para melhorar seu desempenho. devido ao não armazenamento de cargas minoritárias na comutação. otimização da relação área/perímetro do dispositivo e utilização de grade de difusão p. PROCESSO DE FABRICAÇÃO DOS DIODOS SCHOTTKY 4. Porém este tipo de dispositivo fabricado em substrato de silício apresenta alta corrente reversa e baixa tensão de ruptura. aumentando assim seu campo de aplicação. utilização de sobreposição de metal e anel de guarda. .583 O fator de idealidade é um indicativo de quais processos atuam no valor total da corrente na junção. 4.\npois com o aumento da concentração de lacunas na região epitaxial. Além disso. na região de baixa dopagem da camada epitaxial. com o diodo polarizado diretamente há uma injeção de portadores minoritários. fazendo com que a região de depleção termine abruptamente nas bordas do dispositivo. Porém esta . ou seja.Região de depleção nas bordas do diodo Schottky Desta maneira a sobreposição de metal diminui a concentração de linhas de campo elétrico nas bordas do dispositivo (figura 9). Desta forma o campo elétrico nesta região sofre um aumento considerável. ocorre um acumulo de lacunas nesta região. À medida que a tensão de polarização reversa aumenta. FIGURA 9 – Diminuição da concentração das linhas de campo nas bordas Outro mecanismo utilizado para resolver este problema é a utilização de anel de guarda formado por uma difusão p (Boro) em substrato tipo n. a concentração de elétrons também deve aumentar mantendo a neutralidade de cargas na região neutra. lacunas da região do anel de guarda. diminuindo a resistividade nesta região. a região sob a sobreposição de metal pode inverter. através da formação da região de depleção da junção p/n. como ocorre no diodo Schottky convencional. resultando na ruptura do diodo. Neste caso o anel de guarda elimina a terminação abrupta nas bordas da região do contato Schottky (figura 10). acabando com a terminação abrupta dessa região que pode ser observada no diodo Schottky convencional (figura 8). FIGURA 8 .584 A sobreposição de metal é utilizada para suavizar a região de depleção nas bordas do diodo Schottky.\nna mudança de estado (conduzindo/cortado) do diodo e capacitância parasita nas junções p/n. etc) é diretamente proporcional ao perímetro do dispositivo construído. pois a quantidade de defeitos existentes nas limitações do dispositivo (resultantes do corte da lâmina para encapsulamento dos dispositivos. porém dispositivos de área circular não são viáveis economicamente devido à grande perda da área da lâmina de silício. Para suprimir este efeito. ou seja. tratamentos químicos. a figura geométrica que apresenta o melhor resultado é o quadrado. Assim arredondando os cantos do contato metálico. comparado com outras figuras retangulares possíveis de serem formadas. já que para um mesmo valor de área ele apresenta o menor perímetro. a alta concentração de campo elétrico nesta região pode resultar em correntes de fuga. é necessário projetá-lo para que ele possua o menor perímetro possível. Uma das causas da ruptura precoce do diodo Schottky é o efeito da diminuição da barreira de potencial quando uma tensão reversa é aplicada na junção Schottky. Além de projetar dispositivos com o menor perímetro possível. quando estabelecida a área do dispositivo.585 estrutura apresenta a desvantagem de possuir tempo de recuperação reversa. Assim. diminuímos este efeito de degradação do dispositivo. geração de portadores pelos estados de superfície na lateral. . A figura geométrica que possui a menor relação perímetro/área é o circulo. FIGURA 10 – Eliminação da terminação abrupta das bordas do contato A corrente de fuga do diodo Schottky esta relacionada com o perímetro do dispositivo. o arredondamento dos cantos elimina o efeito das pontas. Assim. pode ser utilizada uma grade de linhas paralelas de difusão tipo p ao longo do dispositivo conforme a figura 11.\n5. O objetivo do projeto é obter o processo de fabricação do diodo Schottky com níveis de corrente e tensão para aplicações de potência. ESTRUTURAS Existem várias estruturas de diodo Schottky. Este tipo de dispositivo geralmente possui características I-V direta e reversa não muito boas. desde o diodo Schottky convencional formado apenas por um contato metálico na superfície do silício. FIGURA 12 – Diodo schottky convencional 5. até estruturas mais complexas que possuem anel de guarda e sobreposição de metal para melhorar as características elétricas do dispositivo. Esta estrutura . apresentando alta corrente de fuga e baixa tensão de ruptura.586 FIGURA 11 – Utilização de linhas paralelas de difusão do tipo p 5.1 DIODO SCHOTTKY CONVENCIONAL Nesta estrutura o diodo é formado apenas por um contato metálico no semicondutor. baixa dissipação de energia e com estabilidade física em função das etapas de recozimento durante o processo de fabricação.2 DIODO SCHOTTKY COM SOBREPOSIÇÃO DE METAL A sobreposição de metal é utilizado nesta estrutura para eliminar os efeitos de borda para baixas tensões de polarização reversa do diodo Schottky.\nComo este dispositivo possui alto valor de tensão de ruptura. a grade é formada por linhas paralelas de difusão do tipo p. ao invés de ter um anel de guarda na periferia do dispositivo como no caso anterior. Figura 14 – Diodo Schottky com anel de guarda 5. A junção p/n formada pelo anel de guarda e o substrato resolve o problema da terminação abrupta da região de depleção na borda do diodo convencional.3 DIODO SCHOTTKY COM ANEL DE GUARDA Este diodo Schottky possui anel de guarda em sua estrutura para eliminar os efeitos de borda do dispositivo. . Neste dispositivo.4 DIODO SCHOTTKY COM GRADE DE LINHAS DE DIFUSÃO. O anel de guarda é formado por uma difusão do tipo p no substrato tipo n.587 pode ser formada utilizando-se óxido de silício nas bordas do diodo para formar sobreposição de metal. podendo assim o dispositivo trabalhar com tensões mais elevadas. FIGURA 13 – Diodo Schottky com sobreposição de metal 5. ele é o mais adequado para aplicações de potência.\nao menor número possível.588 Figura 15 . pois nesta etapa são reduzidos.1 LIMPEZA A limpeza das lâminas de silício é fundamental num processo de microfabricação. íons alcalinos partículas. ALGUNS PROCESSOS ENVOLVIDOS 6.isolação entre multiníveis de metal As principais técnicas para a obtenção do óxido são: .Rapid Thermal Process) . As principais impurezas removidas por esta limpeza são: Gorduras.anodização úmida . metais.máscara contra difusão ou implantação de impurezas .oxidação por plasma . 6.oxidação térmica (oxidação úmida. óxido nativo.dielétrico para estruturas MOS . O óxido de silício (SiO2 ) tem diversas funções como: .– Diodo Schottky com linhas de difusão 6.deposição química em fase vapor (CVD) . a quantidade de impurezas e os contaminantes na superfície do substrato de silício onde ocorrerão os processos subseqüentes. A qualidade e desempenho dos dispositivos dependem fortemente desta etapa no processo de fabricação.isolação entre dispositivos (óxido de campo) . oxidação seca e RTP .2 OXIDAÇÃO TÉRMICA PARA OBTENÇÃO DE ÓXIDO DE CAMPO O processo de oxidação do silício é uma das etapas fundamentais no processo de fabricação de dispositivos.\nA técnica de implantação iônica proporciona melhor controle da profundidade de junção e da concentração de dopantes. Esta técnica consiste basicamente na formação de um feixe de íons do elemento a ser implantado sendo manipulado. obtendo assim uma concentração uniforme de impurezas após a implantação. ou outra fonte de cloro. formando uma camada de óxido de Silício. Contudo o óxido obtido atende as necessidades de aplicações como óxido de campo e óxido de mascaramento. O processo de oxidação seca utiliza oxigênio seco como espécie oxidante. O processo de oxidação úmida é realizado utilizando vapor d’água como espécie oxidante. 6. Junto com o oxigênio pode ser utilizado o gás TCE (Tricloroetileno). o implantador de íons é um aparelho de custo elevado e sua aplicação se torna primordial em aplicações que necessitam de um alto grau de controle sobre estas variáveis. podemos obter a concentração de dopantes por unidade de área. Este processo de oxidação é mais rápido que o processo de oxidação seca.589 O processo de oxidação térmica ocorre com a superfície do silício exposta em ambiente oxidante. principalmente o sódio que é uma partícula móvel no óxido. Desta forma cada íon que entra dentro do copo de Faraday é contado e assim podemos obter uma precisão muito grande do número de íons implantados na lâmina. mais denso. . que reage com certas impurezas como os íons alcalinos. necessário em certas aplicações. proporcionando uma densidade de cargas efetivas menor. Dividindo o número de íons implantados pela área da abertura do copo. Este processo de oxidação é mais lento que o anterior. A lâmina fica dentro de um copo de Faraday conectado a um integrador de corrente elétrica. para fazer uma varredura xy na lâmina a ser implantada. Porém. Para a fabricação do diodo Schottky. pela simplicidade do processo e baixo custo. a técnica de difusão é a mais apropriada.3 OBTENÇÃO DA REGIÃO TIPO P E DOPAGEM NAS COSTAS DA LÂMINA PARA FORMAÇÃO DO CONTATO ÔHMICO Regiões dopadas no silício podem ser obtidas através de processos de difusão ou de implantação iônica das espécies dopantes. através de campos eletrostáticos horizontais e verticais. Há dois tipos de oxidação térmica: oxidação térmica úmida e seca. em comparação com a técnica de difusão. porém o óxido obtido é de melhor qualidade. porém o óxido produzido é poroso devido à presença de hidrogênio. devido à reação do oxigênio com o silício.\nAssim. ficando somente o metal em contato com a superfície da lâmina. por exemplo. precisam receber energia térmica para se tornarem substitucionais para se comportarem como dopantes no cristal. 7. a matriz originalmente cristalina pode tornar-se amorfa. a técnica de liftoff é utilizada para definir as regiões de contato Schottky do diodo. Mas. perdendo velocidade até atingir a posição de repouso. a velocidade dos computadores. portanto. Os choques nucleares resultam em defeitos na rede cristalina e dependendo da quantidade de defeitos resultantes da implantação. as regiões de contato metálico podem ser definidas pelo processo de fotogravação convencional. após a implantação iônica é feito um recozimento térmico em ambiente com gás inerte (N2). Afinal. o metal sobre o fotorresiste é removido junto. Desta maneira. expor as regiões da lâmina onde serão estabelecidos os contatos metálicos. além da técnica de liftoff. A análise dos princípios de funcionamento do diodo Schottky a um nível subatômico deixou clara a importância dos estudos sobre teoria de bandas em Matérias Elétricos. os íons implantados estão na forma intersticial na rede cristalina. este apresente descontinuidade entre a superfície da lâmina e a superfície do resiste. CONCLUSÃO Através desse trabalho pode-se comprovar aplicações da teoria estudada em sala de aula. não estaríamos experimentando tanta evolução na microeletrônica. Na construção do diodo Schottky. depende da .4 OBTENÇÃO DA REGIÃO DE CONTATO METÁLICO O processo de liftoff pode ser utilizado para definir as regiões de contato metálico no diodo Schottky. É muito importante que o fotorresiste revelado tenha um perfil negativo. 6. e para sistemas de alta freqüência. Além disso. Esta técnica consiste na deposição do fotorresiste sobre a superfície da lâmina e por processo fotolitografico. Em adição. ocorre freiamento pela interação entre os elétrons do íon implantado e do material. assim como o usado para obter as regiões de anel de guarda e contato Schottky. para engenharia elétrica em especifico. Não fossem os estudos realizados nesta área. ao removermos o fotorresiste. para eliminar os defeitos e ativar os dopantes implantados. e.590 Os íons ao incidirem na superfície da lâmina irão penetrar na rede cristalina e se chocar com os núcleos dos átomos dessa rede. para que ao depositar o filme metálico.\n1997. 2003. Eletrônica: volume 1.fee. família de dispositivos digitais amplamente utilizados. Albert Paul.br/~antenor/htmlfile/harmo/fpcap3/cap3. NASHELSKY. Acesso em 8 jul. São Paulo: Pearson Makron Books. REFERÊNCIAS BOYLESTAD.n. Pelo fato de não ter armazenamento de carga. Dispositivos Eletrônicos e Teoria de Circuitos. o estudo dos materiais. Estudos de processos de fabricação de diodo Schottky de potencia. Pablo Rodrigo. 8.ed. 2008.].591 rapidez com que os seus diodos e transistores podem chavear. 4. 2004. o diodo Schottky se tornou peça fundamental da TTL Schottky. Louis. São Paulo: Pearson Prentice Hall.unicamp. Disponível em < http://www. Apesar de todas as limitações que o dispositivo pode ter. SP: [s. processos de dopagem.html>. .dsce. é neste contexto que se encaixa o diodo Schottky. MALVINO. COMPONENTES SEMICONDUTORES RÁPIDOS DE POTÊNCIA.ed. obtenção do contato metálico. Campinas. SOUZA. entre outros. Robert L. são importantíssimos e podem muitas vezes corrigir os problemas.\nO átomo central passa a possuir então oito elétrons na órbita de valência e os oito elétrons não pertencem ao átomo central. o átomo de silício posiciona-se entre outros quatro átomos de silício. 1. cada vizinho a compartilhar um elétron com o átomo central. a órbita de um elétron sofre a influência das cargas dos átomos adjacentes.1 INTRODUÇÃO AOS SEMICONDUTORES Quando os átomos de silício se combinam entre si para formar um sólido. assim a órbita de cada elétron é modificada. cada elétron tem uma posição diferente dentro do cristal. Os níveis de energia associados às órbitas formam nuvens ou bandas (Figura 1).592 DIODOS SEMICONDUTORES Rodrigo Alexssandre Budel 1. no cristal. DIODOS SEMICONDUTORES 1. nenhum vê exatamente a mesma configuração de cargas vizinhas. eles se arranjam numa configuração ordenada denominada cristal. FIGURA 1 – Bandas de energia de um condutor .2 BANDAS DE ENERGIA Quando os átomos de silício se combinam para formar um cristal. são compartilhados pelos quatro átomos em volta. as forças que mantém os átomos unidos são denominadas ligações covalentes.\n1.593 1.1 A CONDUÇÃO NUM FIO DE COBRE Cada átomo de cobre possui um elétron livre.2 A CONDUÇÃO NUM CRISTAL DE SILÍCIO A Figura (a) mostra uma barra de silício com extremidades metálicas e uma tensão externa estabelece um campo elétrico entre as extremidades dos cristais. 1.5 ACIMA DO ZERO ABSOLUTO A energia térmica quebra algumas ligações covalentes.3 CONDUÇÃO EM CRISTAIS 1.(a) Circuito (b) Bandas de energia à temperatura de zero absoluto. como cada elétron percorre uma órbita extremamente grande (alto nível de energia). a banda de condução está vazia e não há corrente no silício (Figura (b)). FIGURA 2 . a participar das ligações covalentes entre os átomos. 1. o elétron mal pode sentir a atração do núcleo.3. sob ação do campo .4 ZERO ABSOLUTO No zero absoluto. isto é. todos os elétrons de valência estão fortemente presos aos átomos de silício. capazes de produzir correntes altas. os elétrons livres estão contidos numa banda de energia denominada banda de condução.3. Num pedaço ou fio de cobre. envia alguns elétrons da banda de valência para a banda de condução.\nÀ temperatura ambiente (25ºC) a corrente é pequena demais para ser utilizável. temperatura ambiente.7 CORRENTE DE LACUNAS Um semicondutor oferece dois trajetos para corrente. .(a) Fluxo de elétrons (b) Faixas de energia à temperatura ambiente 1. FIGURA 3 . A banda de valência já não se encontra saturada ou preenchida. estes elétrons livres movem-se para a esquerda e estabelecem uma corrente (Figura 2 (a)). por esta razão é chamado semicondutor. quando comparado a um cristal de germânio sob as mesmas condições. um pedaço de silício não é bom isolante nem bom condutor. foi amplamente usado no início do estudo dos semicondutores. maior o número de elétrons de valência empurrados para a banda de condução e maior a corrente. Cada vez que um elétron é bombeado para a banda de condução. um cristal de silício não possui praticamente elétrons livres. cada lacuna na banda de valência representa uma órbita de rotação disponível.6 SILÍCIO VERSUS GERMÂNIO O germânio. um associado a elétrons na banda de condução e outro associado a elétrons na banda de valência. cria-se uma lacuna na banda de valência.594 elétrico. Quanto mais alta a temperatura. 1. Observe o mecanismo de condução na banda de valência ilustrado na figura (a). um outro elemento tetravalente.\na lacuna desloca-se para B. . e quando o elétron deslocase para A. abrindo-se uma lacuna. sendo que a inicial desaparece e uma nova lacuna aparece no ponto A. Na Figura 4 (b) ilustra-se a condução de lacunas em termos de nível de energia. o elétron de valência em A pode se deslocar para a lacuna. Quando isto ocorre. Os elétrons de valência podem continuar a deslocar-se ao longo do trajeto mostrado pelas setas. um elétron de valência em B pode se deslocar para a nova lacuna com uma pequena variação de energia. Apenas com uma pequena variação de energia o elétron de valência em A pode se deslocar para a lacuna. A nova lacuna em A atrai o elétron de valência em B. A energia térmica bombeia um elétron da banda de valência para a banda de condução.(a) Corrente de lacunas (b) Diagrama de energia para a corrente de lacunas. Com uma pequena variação de energia. há um segundo percurso ao longo do qual os elétrons podem se deslocar dentro do cristal. Com pequenas variações de energia os elétrons de valência podem se deslocar ao longo do trajeto indicado pelas setas. A seguir. a lacuna inicial desaparece e uma nova lacuna aparece em A. enquanto as lacunas deslocam-se no sentido oposto. FIGURA 4 .595 A lacuna na extremidade direita da figura (a) atrai o elétron em A. Isso equivale a um movimento da lacuna através da banda de valência ao longo do trajeto ABCDEF. Pelo fato de haver lacunas nas órbitas de valência.\n8 PARES ELÉTRON-LACUNA A aplicação de uma tensão externa ao cristal força os elétrons a deslocaremse. pode-se dizer então que a energia térmica produz pares elétrons-lacunas.Dois trajetos para a corrente. ocorrendo constantemente num semicondutor. sendo que o movimento para a direita dos elétrons de valência indica que as lacunas estão a se deslocar para a esquerda. 1. FIGURA 5 .9 RECOMBINAÇÃO Na Figura 5 (b) ocasionalmente a órbita da banda de condução de um átomo pode interceptar a órbita da lacuna de um outro.596 1. As lacunas agem como se fossem cargas positivas e por esta razão são Indicadas pelo sinal de mais na figura 5 (b). em um semicondutor puro. é freqüente então que um elétron da banda de condução passe para uma lacuna. e quando ocorre a recombinação a lacuna desaparece. este desaparecimento de um elétron livre e de uma lacuna é chamado recombinação. O Efeito Hall confirma o comportamento das lacunas como cargas positivas. as existências de cada elétron na banda de condução garante a existência de uma lacuna na órbita de valência de algum átomo. A energia térmica . os elétrons da banda de condução e os elétrons da banda de valência. Na figura 5 (a) há dois tipos de elétrons móveis.\n11 SEMICONDUTOR TIPO-N Para se conseguir elétrons da banda de valência a mais. antimônio e fósforo. o elétron que sobra precisa percorrer uma órbita da banda de condução. Exemplos: arsênio. 1. em um semicondutor tipo-n. na figura 6 (b). o átomo pentavelente central possui um elétron a mais que sobra e como a órbita de valência não pode conter mais de oito elétrons. A dopagem significa introduzir átomos de impurezas num cristal de modo a aumentar tanto o número de elétrons livres quanto o número de lacunas. Há também algumas lacunas criadas pela energia térmica. não há elétrons livres nem causas suficiente num semicondutor intrínseco para produzir uma corrente utilizável. para a maioria das aplicações.597 incidente mantém a produção de novas lacunas a elevar os elétrons de valência à banda de condução. o cristal passa a se chamar semicondutor extrínseco. . pois fornecem elétrons de banda de condução. os elétrons são denominados portadores majoritários e as lacunas de portadores minoritários. podem-se acrescentar átomos pentavalentes. há um grande número de elétrons da banda de condução produzido principalmente pela dopagem. Os átomos pentavalentes são denominados doadores. que varia de poucos nanosegundos até vários microsegundos. o silício dopado dessa forma é denominado semicondutor tipo-n. 1. O tempo médio entre a criação e o desaparecimento de um par elétron-lacuna é chamado meia vida. dentre outros fatores. dependendo de quão perfeita é a estrutura do cristal. que possui inicialmente 5 elétrons na órbita de valência depois de formar ligações covalentes com quatro átomos vizinhos.10 DOPAGEM Um cristal de silício puro é um semicondutor intrínseco. onde n significa negativo.\n1. Na figura. as lacunas de um semicondutor tipo-p excedem de longe os elétrons da banda de condução. as lacunas são os portadores majoritários enquanto que os elétrons da banda de condução são os portadores minoritários. boro e gálio. apenas 7 elétrons se encontrarão nas suas órbitas de valência. Um semicondutor dopado com uma impureza trivalente é conhecido como semicondutor do tipo-p. Exemplos: Alumínio. onde a letra p significa positivo.598 FIGURA 6 – Dopagem com impureza doadora. e aparece uma lacuna em cada átomo trivalente. Átomos trivalentes são também conhecidos como átomos aceitadores porque cada lacuna que eles fornecem pode aceitar um elétron durante a recombinação.12 SEMICONDUTOR TIPO-P Ao se utilizar uma impureza trivalente (3 elétrons na camada de valência). .\nFIGURA 7 - Dopagem com impureza aceitadora 1.13 RESISTÊNCIA DE CORPO Um semicondutor dopado ainda possui resistência elétrica, denominada resistência de corpo, quando é levemente dopado, possui resistência de corpo alta, à medida que a dopagem aumenta, a resistência de corpo diminui. A resistência de corpo também é chamada resistência ôhmica, uma vez que obedece a lei de Ohm. 1.14 O DIODO NÃO POLARIZADO É possível produzir um cristal com dopagem parte tipo-p e parte tipo-n, denominado cristal pn ou diodo (Figuras 8(a) e (b))., a primeira figura (a) mostra o cristal pn no instante de sua formação. O lado p possui várias lacunas (portadores majoritários) e o lado n possui vários elétrons livres (também portadores majoritários).\nFIGURA 8 - (a) Antes da difusão (b) Depois da difusão 1.15 CAMADA DE DEPLEÇÃO Devido à repulsão mútua, os elétrons livres no lado n difundem-se (espalham se) em todas as direções, sendo que alguns atravessam a junção, quando um elétron livre sai da região n, a sua saída cria um átomo carregado positivamente (um íon positivo) na região n, o elétron, como um portador minoritário na região p, possui uma vida média curta. Logo após penetrar na região preenche uma lacuna, quando isso acontece, a lacuna desaparece e o átomo associado torna-se carregado negativamente (um íon negativo). Cada vez que um elétron difunde-se através da junção, ele cria um par de íons (Figura 8 (b)), íons estão fixos na estrutura do cristal por causa da ligação covalente e não podem se deslocar livremente como os elétrons livres e as lacunas, à medida que o número de íons aumenta, a região próxima a junção fica totalmente esgotada de elétrons livres ou lacunas, a região criada na junção chama-se camada de depleção. 1.16 BARREIRA DE POTENCIAL Além de certo ponto, a camada de depleção age como uma barreira a impedir o prosseguimento da difusão de elétrons livres através da junção, a intensidade da camada de depleção continua a aumentar com cada elétron que atravessa a junção até que se atinja um equilíbrio. Nesse ponto, a repulsão interna da camada de depleção interrompe a difusão dos elétrons livres através da junção, sendo a diferença de potencial através da camada de depleção é chamada de barreira de potencial.\nA 25ºC, esta barreira de potencial é aproximadamente igual a 0,7V para os diodos de silício (0,3V para os diodos de germânio). 1.17 POLARIZAÇÃO DIRETA A figura 9 (a) mostra um diodo ligado a uma fonte de tensão CC em polarização direta, isto é, com o terminal positivo da fonte ligado à região p e o lado negativo da fonte ligado à região n.\nFIGURA 9 - (a) Polarização direta (b) Bandas 1.18 CORRENTE DIRETA ALTA A polarização direta produz uma alta corrente direta, e o terminal negativo da fonte repele elétrons livres da região n em direção à junção, esses elétrons, com energia adicional, podem atravessar a junção e encontrar as lacunas, combinando ocorre em distâncias variáveis a partir da junção, dependendo de até onde um elétron livre possa evitar o encontro com uma lacuna. As chances de recombinação são maiores perto da junção, e a medida que os elétrons encontram as lacunas, eles se tornam elétrons de valência, e continuam a se deslocar para a esquerda através das lacunas do material p. Quando os elétrons de valência atingem a extremidade esquerda do cristal, eles abandonam o cristal e escoam para o terminal positivo da fonte, no qual a história de vida de um único elétron que se desloca do terminal negativo para o terminal positivo da fonte é então, depois de deixar o terminal negativo, entra pela extremidade direita do cristal e o atravessa a região n como um elétron livre, e a\na irradiar energia na forma de calor ou luz. movem-se para a esquerda a formar um fluxo estável através das lacunas na região p. 1. os elétrons capturados. e a media que os elétrons livres desaparecem ao longe dos trajetos A e B. agora elétrons de valência. atravessando a região p com um elétron de valência e depois de sair pela extremidade esquerda do cristal. eles descem de um nível mais alto de energia para um outro mais baixo.19 BANDAS DE ENERGIA A Figura 9 (b) mostra como visualizar o fluxo em termos de bandas de Energia. o afastamento dos elétrons e das . FIGURA 10 – (a)Polarização reversa (b) Bandas de energia 1.602 próxima à junção.21 CAMADA DE DEPLEÇÃO A polarização reversa força que os elétrons livres da região n se afastem da junção em direção ao terminal positivo da fonte. a barreira de potencial dá às bandas p um pouco mais de energia do que para as bandas n.20. 1. dessa forma obtém-se um fluxo contínuo de elétrons através do diodo. um fluxo estável de elétrons de banda de condução desloca-se em direção à junção e preenche as lacunas próximas à junção. POLARIZAÇÃO REVERSA a polarização reversa o terminal positivo da fonte é ligado à região n e o terminal negativo é ligado à região p (Figura (a)). segue para o terminal positivo da fonte. as lacunas da região p também se deslocam da junção para o terminal negativo. recombina-se e torna-se um elétron de valência.\na tensão de ruptura é geralmente maior que 50V. a figura 11 (a) mostra um elétron produzido termicamente. respectivamente. esta outra componente da corrente reversa é denominada corrente de fuga superficial. O nome saturação relaciona-se ao fato de que não há mais corrente que a produzida pela energia térmica e somente um aumento de temperatura pode aumentar IS.22 CORRENTE DE PORTADORES MINORITÁRIOS A energia térmica cria continuamente um número limitado de elétrons livres e de lacunas de ambos os lados da junção. e ocorre que para diodos retificadores. a camada de depleção fica mais larga. 1. da mesma forma que a corrente produzida termicamente. o diodo passa a conduzir intensamente. Exemplo: para o Diodo 1N914 IR = 25nA para VR = 20V e TA=25ºC. geralmente especificada para um dado valor de tensão reversa VR e de temperatura ambiente TA. quanto maior a polarização reversa. simbolizada por IFS.23 CORRENTE DE FUGA SUPERFICIAL Além da corrente reversa há uma pequena corrente na superfície do cristal. a corrente de fuga superficial é extremamente pequena. É produzida por impurezas na superfície do cristal que criam trajetos ôhmicos para a corrente. atinge-se a tensão de ruptura do diodo. atingida a tensão de ruptura. Por causa dos portadores minoritários aparece uma pequena corrente no circuito. 1. 1. È uma das razões pelas quais o silício domina o campo dos componentes semicondutores. maior torna-se a camada de depleção e a camada de depleção pára de aumentar quando sua diferença de potencial se iguala à tensão da fonte. e uma . 1. a corrente reversa produzida pelos portadores minoritários é chamada corrente de saturação e designada por IS.25 TENSÃO DE RUPTURA Se a tensão reversa for aumentada até certo ponto. Portanto. Possui o seu valor dobrado para cada aumento de 10ºC na temperatura.24 CORRENTE REVERSA Os datasheets dos fabricantes de diodos costumam englobar IS e IFS numa única corrente reversa IR.603 lacunas deixa mais íons positivos e negativos próximos à junção. um diodo de silício possui um valor de IS muito maior que um diodo de germânio.\nRuptura (a) portadores minoritários na camada de depleção (b) elétron livre atinge elétron de valência (c) Dois elétrons livres Não sendo permitido na maioria dos diodos que se chegue ao rompimento. que . no qual elétrons livres podem se acelerar e desalojar outros elétrons de valência até ocorrer a maior avalanche possível e por causa do grande número de elétrons livres. Um projeto conveniente mantém a tensão reversa do diodo sempre abaixo da tensão de ruptura. A dopagem no diodo é feita pela introdução de elementos dentro de cristais tetravalentes. obterá átomos com sete elétrons na camada de valência. FIGURA 11 . ganhando velocidade. formam-se dois elétrons livres. podendo haver diversas versões: V(BR): tensão de ruptura. quanto maior a polarização reversa. Alguns fabricantes informam especificações da tensão reversa para cc e ca. o diodo conduz intensamente. Dopando esses cristais com elementos trivalentes. não existe nenhum símbolo padrão para a tensão de ruptura reversa.26 EXTREMIDADES DO CRISTAL DO DIODO SEMICONDUTOR E OS CRISTAIS P e N. VRM: tensão reversa máxima entre outras. mais rápido desloca-se o elétron. 1. e se estiver com energia o suficiente.604 lacuna na camada de depleção. normalmente feitos de silício e germânio. devido à polarização reversa. PRV: tensão reversa de pico. o elétron livre é empurrado para a direita. BV: tensão de ruptura. PIV: tensão inversa de pico. VRWM: tensão reversa máxima de trabalho. que pode colidir com um elétron de valência.\nEstas impurezas são átomos de diversos elementos químicos.605 necessitam de mais um elétron para a neutralização (cristal P). Para a formação do cristal P. por exemplo. Por meio da Física do estado sólido. que a estrutura atômica de certos materiais como o Germânio ou o Silício continha alguns elétrons livres os quais escapavam. utiliza-se principalmente o elemento Fósforo. Após dopadas. chamada de região de depleção(à qual possui uma barreira de potencial). o Arsênico. enquanto alguns elementos químicos como o Fósforo. Assim. permitia o fluxo da corrente em apenas uma direção após a aplicação de uma corrente alternada entre os dois pontos de contatos no cristal. este tipo de diodo feito pelo homem consiste em conformar a estrutura atômica do Germânio adicionando-se a sua matriz pequenas quantidades de impurezas conhecidas como DOPE. Basicamente. haverá uma região de equilíbrio por recombinação de cargas positivas e negativas. deixando buracos ou vacâncias de cargas na matriz do cristal. e o Antimônio têm 5 elétrons na sua órbita externa por outro lado o Alumínio. e entre ambas. geralmente metais. Para a formação do cristal N. cada face dos dois tipos de cristais(P e N)terá uma determinada característica diferente da oposta. Assim formatada a chamada camada de contorno ou junção P-N. Ao adicionarem-se estas impurezas na matriz do cristal de Germânio. outra com falta destes (lacunas). Quanto maior for sua temperatura. gerando regiões de condução do cristal. o Índio. uma com excesso de elétrons. Quanto maior a intensidade da dopagem. obter-se-á átomos neutralizados (com oito elétrons na camada de valência) e um elétron excedente (cristal N). o Gálio ou o Boro somente 3. obtêm-se dois tipos de estrutura . os quais têm a sua própria configuração eletrônica. maior será a condutibilidade dos cristais. Estes átomos são chamados de doadores ou receptores respectivamente devido a sua capacidade de doar ou receber elétrons. Dopando os cristais tetravalentes com elementos pentavalentes. pois suas estruturas apresentarão um número maior de portadores livres (lacunas e elétrons livres) e poucas impurezas que impedem a condução da corrente elétrica. maior será a condutibilidade pelo fato de que a energia térmica ter a capacidade de quebrar algumas ligações covalentes da estrutura se desfaçam. Outro fator que influencia na condução desses materiais é a temperatura. os pesquisadores descobriram então. acarretando no aparecimento de mais portadores livres para a condução de veículo embriagado. utiliza-se principalmente o elemento Índio .\nEm princípio. como visto o diodo contato pontual nada mais era do que uma versão melhorada do primitivo detector a cristal. Desta forma. uma vez que podia atuar tanto como elemento detector como comutador. assim. Assim foi largamente empregado nos primeiros tipos de televisores e computadores. os chamados diodos sem contato. foram logo substituídos por dispositivos mais avançados. Entretanto. semelhante ao princípio do bigode de gato inventado por Pickard. se uma tensão negativa é aplicada ao cristal N. também chamada de Germânio negativo e. a mesma é aumentada sem qualquer fluxo de corrente. a formação de um diodo cujo cristal ou material semicondutor é o Germânio. ocorre uma transferência de carga elétrica na camada de contorno da junção P-N. cujo principio operacional estava agora intimamente ligado na conformação de espessuras uniformes das junções. gerando ao mesmo tempo. o cristal P e N tem um excesso e falta de elétrons respectivamente. O diodo de Germânio quando comparado ao seu congênere termiônico. 1.606 cristalina: uma mistura contendo excesso de elétrons livres. o diodo de contato pontual era quase idêntico aos primitivos detectores a cristal. Sua estrutura consistia de uma pequena bolacha de Germânio. ou seja. Por outro lado. Agora. Na realidade este tipo de arranjo cristalino opera como um retificador. as cargas positivas ou lacunas(buracos) conduzem corrente elétrica pelo fato de que uma lacuna é ocupada por um elétron proveniente de uma corrente elétrica que passa sobre o cristal e que força a criação de outra lacuna atrás de si. uma diferença de potencial. diretamente no material semicondutor. Entre as duas regiões. outra com falta de elétrons. Estas cargas repelem-se entre si evitando-se uma posterior difusão de elétrons e buracos no cristal. esta . chamada de Germânio positivo. o Germânio P e N. Tem-se. uma de maioria negativa. quando uma tensão positiva em relação ao cristal P é aplicada ao cristal N. ou juntar-se estes dois tipos de estrutura ou seja.27 JUNÇÃO P-N. existe uma terceira. Da mesma forma que os elétrons livres do cristal N se movimentam. tamanho e custo reduzido. onde em sua face plana era feito o contato por meio de um fio de Tungstênio espiralado. permitindo o aparecimento de uma pequena tensão de forma que a mesma induz o movimento de elétrons continuamente. é neutralizada. Desta maneira. tinha várias vantagens como ausência do filamento. outra de maioria positiva. OU BARREIRA DE POTENCIAL.\nAssim. Quando a tensão a que é submetido o diodo . é a junção entre ambas. sendo quase desprezível. A polarização é indireta quando o inverso ocorre. A polarização é direta quando o pólo positivo da fonte geradora entra em contato com o lado do cristal P (chamado de anodo) e o pólo negativo da fonte geradora entra em contato com o lado do cristal N (chamado de catodo). gerando uma pequena tensão interna. nem de carga positiva. se a tensão da fonte geradora for maior que a tensão interna do diodo. os portadores livres se repeliram por causa da polaridade da fonte geradora e conseguiram ultrapassar a junção P-N.7V). movimentando-os e permitindo a passagem de corrente elétrica. reciprocamente. ocorrerá uma atração das lacunas do ânodo (cristal P) pela polarização negativa da fonte geradora e uma atração dos elétrons livres do catodo (cristal N) pela polarização positiva da fonte geradora.607 de maioria neutra. Com a passagem de lacunas para a camada N. Na região neutra não há excesso de elétrons nem lacunas porque alguns elétrons do material tipo N se difundem pela junção e entram em combinação com algumas lacunas (buracos) do material tipo P.3 volts nos diodos de germânio e 0.alimentado por uma fonte geradora. Assim.7 volts nos diodos de silício. a corrente elétrica torna-se alta e a oposição dos portadores livres feita pela barreira de potencial é pequena em relação a tensão de alimentação. ocasionando no bloqueio da corrente elétrica. porém se a tensão a que for submetido o diodo for mais alta do que sua barreira de potencial.3V ou <0. Pelo fato de que os diodos fabricados não são ideais (contém impurezas). Essa barreira de potencial causa uma queda de tensão. gera-se um pequeno potencial elétrico positivo e com a passagem de elétrons livres para a camada P. por isso do nome barreira de potencial. que pode chegar aproximadamente a 0. isto é. é menor que sua barreira de potencial(<0. a condução de corrente elétrica no diodo (polarização direta) sofre uma resistência . sem existir um fluxo de portadores livres na junção P-N. interferindo na tensão sobre os outros componentes pertencentes ao mesmo circuito do diodo. algumas lacunas(buracos) se difundem pela junção e entram em combinação com alguns elétrons do material do tipo N. nem de carga negativa. gera-se um pequeno potencial elétrico negativo.28 POLARIZAÇÃO DO DIODO A polarização do diodo é dependente da polarização da fonte geradora. 1. a corrente elétrica é baixíssima pela oposição ao fluxo de portadores livres feita pela barreira de potencial. chamada de região neutra da junção P-N.\n1. pois permite que a corrente flua entre seus terminais apenas numa direção. Os retificadores são circuitos elétricos que convertem a tensão CA (AC) em tensão CC (DC).608 menor que 1 ohm. ficando em curto ou em aberto. 1. operam em determinadas correntes elétricas que são especificadas em seu invólucro ou são dadas pelo fabricante em folhetos técnicos. . significa que os elétrons circulam em dois sentidos. este é o efeito diodo semicondutor tão usado na eletrônica.29 TESTES COM O DIODO Os diodos. que é quase desprezível. verifica-se que existe condução quando se coloca a ponteira positiva no ânodo e a negativa no catodo. portanto. Esta propriedade é utilizada em grande número de circuitos eletrônicos e nos retificadores. Além da corrente. Colocando-se as ponteiras de prova desses aparelhos nas extremidades do doido(catodo e ânodo). o doido pode danificar. assim como qualquer componente eletrônico. além de indicar isolação quando ocorre o inverso. a tensão inversa(quando o diodo está polarizado inversamente) também é um fator que deve ser analisado para a montagem de um circuito e que tem suas especificidades fornecidas pelo fabricante. isto é circula num só sentido. Assim o diodo está em perfeitas condições de operação e com isso é possível a localização do catodo e do ânodo. chamada de corrente de fuga.30 USOS O fenômeno da condutividade em um só sentido é aproveitado como um chaveamento da corrente elétrica para a retificação de sinais senoidais. Utilizando de um ohmímetro ou um multímetro com teste de diodo. porém se os aparelhos de medição indicar condução dos dois caminhos do diodo. Corrente contínua. que também é quase desprezível. O bloqueio de corrente elétrica no diodo (polarização inversa) não é total devido novamente pela presença de impurezas. CC (DC). CA vem de Corrente alternada. ele também está defeituoso e em aberto. Se ele for alimentado com uma corrente ou tensão inversa superior a que ele suporta. Se os aparelhos de medição indicarem isolação nos dois caminhos. ele está defeituoso e em curto. tendo uma pequena corrente que é conduzida na ordem de microampères. pode-se verificar se ele está com defeito.\nhtml . formado a partir da junção n e p não deixa os elétrons e lacunas movimentarem-se. este processo dá-se devida assimetria de cargas existente.org/wiki/Diodo http://www. http://pt.pro. diodos de chaveamento são indicados na condução de altas correntes em circuitos chaveados.31 TIPOS DE DIODOS SEMICONDUTORES Os diodos são projetados para assumir diferentes características: diodos retificadores são capazes de conduzir altas correntes elétricas em baixa freqüência. diodos de sinal caracterizam-se por retificar sinais de alta freqüência. Dependendo das características dos materiais e dopagem dos semicondutores há uma gama de dispositivos eletrônicos variantes do diodo: FIGURA 12 – Diferentes tipos de diodos.wikipedia. McGraw-Hill. 1.br/port95. 1986. P. São Paulo. 2. REFERÊNCIAS Malvino. Eletrônica.609 A certa altura o potencial U.fazano. volume 1.\npois apresenta aspectos muito favoráveis em questão de consumo de energia e impacto ambiental. enquanto trabalhava na General Company. um antigo aluno de graduação Holonyak. descobriram o LED infravermelho. trabalhando na Texas Instruments. Os LEDs são as lâmpadas promissoras. No início da década de 70 M. que pode ser tanto na faixa do espectro visível. 2. há uma grande emissão de energia na forma de uma determinada freqüência. onde nele. mas sua descoberta não gerou uma utilização prática para os LEDs nas décadas seguintes. 41 anos depois. que são os materiais que compõem os dispositivos semicondutores mais utilizados na engenharia. Holonyak é visto como o pai do diodo emissor de luz. Os diodos compostos de matérias como o silício e o germânio. os cientistas Bob Biard e Gary Pittman. também apresentam uma parte de sua energia emitida na forma de fótons. foi desenvolvido por Nick Holonyak Jr. russas e britânicas. devido ao material envolvido em sua construção. George Craford. inventou o primeiro LED amarelo e melhorou o brilho do LED vermelho alaranjado por um fator de dez. onde seus estudos foram divulgados em revistas científicas alemãs. INTRODUÇÃO Diodo emissor de luz é um caso especial de diodo. No ano seguinte o primeiro espectro visível prático. com uma emissão da freqüência da luz vermelha. . HISTÓRICO As pesquisas relacionadas aos diodos emissores de luz decorreram da seguinte forma: Em 1920 foi criado o primeiro LED pelo russo Oleg Vladimirovich Losev.610 LED: DIODO EMISSOR DE LUZ Daniel Motter 1. que emite radiação infravermelha a se passar uma corrente em GaAs (arsenieto de gálio). mas esta é insignificante e nem pode ser notada. quanto no infravermelho.\nonde a polaridade da tensão externa aplicada. Para uma apresentação completa da teoria básica deste dispositivo. Para isso. pois apresenta uma estrutura eletrônica relativamente simples. e os LEDs. não estando ligados a um átomo específico. sendo que os orbitais devem ser preenchidos de acordo com suas regras. o qual permite compreender o mecanismo da condução elétrica nos metais. 4.611 Em fevereiro de 2008. na Universidade Bilkent. isolantes e principalmente para os materiais semicondutores. As ligações metálicas nos metais sólidos permitem o movimento livre dos elétrons de valência. CARACTERÍSTICAS ELÉTRICAS 4. Consideraremos o metal sódio. os elétrons estão ligados aos núcleos e podem apenas ocupar níveis bem definidos de energia e devem obedecer ao principio da exclusão de Pauli. uma vez que eles são partilhados por muitos átomos. influencia na emissão de ondas de diferentes freqüências (ou comprimentos de onda). Os elétrons de valência podem ser vistos como constituindo uma nuvem de carga elétrica em torno de “cernes” positivos (núcleo). 3. . que são um caso especifico de diodo. foi constatado uma luz visível de 300 lumens por watt de eficiência de um LED. onde apenas deve haver dois átomos por nível. Nos átomos isolados. a constituição e a dopagem dos materiais envolvidos influenciam na emissão da luz. Isto é.1 MATERIAIS CONDUTORES Materiais condutores são metais que apresentam uma estrutura cristalina e estão ligados uns aos outros pelos seus respectivos elétrons de valência. Será apresentado o modelo de bandas de energia dos elétrons em metais sólidos. na chamada ligação metálica. será necessário mostrar como ocorre a condução elétrica em materiais. TEORIA BÁSICA LED (Light-Emitting Diode) é um dispositivo semicondutor de junção p-n. onde será abordado o diodo (dispositivo semicondutor de junção p-n). determinaremos este fenômeno para materiais condutores. que pode ser ondas como o infravermelho os do espectro visível. na Turquia.\nseparam-se uns dos outros e originam bandas de energia mais largas (figura 2b). Assim. Os elétrons nos níveis mais baixos (1s1. por exemplo. Numa amostra sólida de sódio. FIGURA 1: (a) Princípio Níveis de energia num átomo isolado de sódio. Na banda de energia de valência. . Os elétrons de valência encontram-se deslocados (figura 2a) e inter-atuam. O elétron exterior 3s1 pode participar na ligação com outros átomos e designa-se por elétron de valência. dois no nível 2s. haverá na banda 3s. num nível de energia ligeiramente diferente. os níveis estão tão próximos que formam uma banda continua de energia. os átomos estão próximos e tocam uns nos outros. Os elétrons interiores não originam bandas. N níveis de energia 3s1 que diferem ligeiramente. onde N pode ser um número enorme. de acordo com o principio da exclusão de Pauli. Cada nível de energia designa-se por estado. pois estão protegidos ou blindados pelos elétrons de valência. Cada elétron de valência numa amostra de sódio. 2s2. as suas órbitas interpenetram-se de tal modo que os níveis de energia originais. tem de estar.a. 2p6) estão fortemente ligados e constituem os elétrons de cerne do átomo de sódio (figura 1b). bem definidos. seis no nível 2p e um no nível 3s.612 Os 11 elétrons do átomo neutro de sódio distribuem-se colocando dois no nível 1s. (b) Arranjo dos elétrons num átomo de sódio. se houver N átomos de sódio na amostra. como esta indicado na figura 1.\nFIGURA 3: a) Sódio (3s1) b) Magnésio (3s2) c) Alumínio (3s2 3p1) Em conseqüência. o sódio é um bom condutor. a banda 3s está somente semipreenchida (figura 3a). mas como há apenas um elétron 3s no átomo de sódio. é necessária muito pouca energia para excitar os elétrons do sódio desde os níveis ocupados mais altos até os níveis desocupados mais baixos (as bandas de valência e de condução estão sobrepostas). já que basta uma quantidade muito pequena de energia para nele originar uma corrente de elétrons. No sódio metálico há sobreposição entre as bandas de energia 3s e 3p. O cobre.613 FIGURA 2: (a) Elétrons de valência deslocados numa amostra de metal sódio (b) Níveis de energia numa amostra de metal sódio. . Por esse motivo. a prata e o ouro também tem bandas s exteriores semi-preenchidas.\nMas a banda de 3s se sobrepõe á banda 3p. os elétrons são fortemente ligados aos átomos onde as ligações iônicas ou covalentes intervêm. FIGURA 4 . Não obstante de a existência de uma banda 3s totalmente preenchida. o alumínio que tem uma configuração 3s23p2 é também um bom condutor. que é um ótimo isolante e seus elétrons estão fortemente presos em ligações covalentes tetraédricas sp3 . originando uma banda combinada 3sp parcialmente preenchida (figura 3b). A figura 4 apresenta o modelo da banda de energia em um isolante. Os semicondutores são materiais cujas condutividades elétricas se situam entre as dos metais (bons condutores) e dos isoladores (maus condutores). 4. o nível 3s esta preenchido com dois elétrons.3 MATERIAIS SEMICONDUTORES Os semicondutores podem ser separados em dois grupos. e não são “livres” para que possam conduzir eletricidade. semicondutores intrínsecos e extrínsecos. Os . porque a banda 3p parcialmente preenchida se sobrepõe à banda preenchida 3s (figura 3c). a menos que ofereça-lhes uma energia superior a Eg. 4. o que permite que alguns dos elétrons passem para essa banda.1 SEMICONDUTORES INTRÍNSECOS: mecanismos de condução elétrica.Banda de energia de um material isolante.3.2 MATERIAIS ISOLANTES Nos isoladores. A energia Eg pode ser da ordem de 6 a 7 eV no diamante puro. o magnésio é um bom condutor. 4. Analogamente. que é o hiato de energia entre a banda de valência superior cheia e a banda de condução inferior vazia.614 No magnésio metálico.\nportanto. . cuja condutividade elétrica é determinada pelas suas propriedades condutoras próprias ou intrínsecas.Estrutura cristalina cúbica do diamante. Nesta estrutura. ao mesmo tempo em que se origina um “buraco” positivamente carregado na rede cristalina. capaz de excitá-lo para fora de sua posição ligante. Estes elementos. tanto o elétron quanto o buraco atuam como transportadores de carga. Um buraco é uma carga positiva de igual módulo à carga do elétron. por exemplo). FIGURA 5 . Na condução dos semicondutores. sabemos que os elétrons ligantes não podem mover-se através da rede cristalina e. cada átomo de silício ou germânio contribui com quatro elétrons de valência. No diagrama de bandas de energia dos semicondutores intrínsecos (Si ou Ge. Os elementos puros silício e germânio são materiais semicondutores intrínsecos. Quando é fornecida uma quantidade crítica de energia a um elétron de valência.615 semicondutores intrínsecos são semicondutores puros. que pertencem ao grupo 14 da Tabela Periódica. a qual está quase completamente preenchida a 20° C. e sim. utilizam seus quatro elétrons de valência para fazer as ligações covalentes. não podem conduzir eletricidade a menos que seja fornecida energia suficiente para excitá-los para fora das suas posições ligantes. Os átomos estão ligados tetraedricamente na rede cristalina por pares de elétrons em orbitais ligantes híbridas sp3. já que estes não possuem elétrons livres como os condutores. Sobre a condução elétrica em semicondutores intrínsecos. ele transforma-se em um elétron livre de condução. têm estrutura cúbica do diamante com ligações fortemente direcionais (figura 5). os elétrons ligantes do cristal covalentemente ligado ocupam níveis de energia na banda de valência.\nAcima da banda de valência está o hiato de energia proibida.1 Semicondutores extrínsecos do tipo n (negativo) Quando um átomo de impureza de um elemento do grupo 15 (fósforo. as concentrações de átomos de impurezas adicionados situam-se habitualmente no intervalo entre 100 e 1000 partes por milhão. .Diagrama de bandas de energia de um semicondutor intrínseco.1eV. 4. na qual não a estados de energias permitidos. encontra-se uma banda de condução praticamente vazia. haverá um elétron em excesso para além dos quatro necessários para estabelecer as ligações covalentes tetraédricas da rede do silício (figura 7.2.3. de energia. que é um elemento do grupo 14.2 SEMICONDUTORES EXTRÍNSECOS Os semicondutores extrínsecos são soluções sólidas substitucionais muito diluídas. por exemplo) substituir um átomo de silício.3. Acima do hiato C. No silício a 20° o hiato é de 1. nas quais os átomos de impurezas dissolvidas têm características de valência diferentes dos átomos da rede cristalina dos solventes.616 FIGURA 6 . Nestes semicondutores. 4. b).\ne aparece um buraco na estrutura de ligação do silício (figura 8). Este elétron extra encontra-se fracamente ligado ao núcleo positivamente carregado do fósforo. necessária apenas uma energia de 0. com uma energia de ligação de 0. Isso causará a falta de um elétron nos orbitais ligantes. o fósforo adquire uma carga positiva. iremos substituir por uma da família 13. (b) Estrutura do silício dopado com Fósforo (c) Quando o elétron em excesso vai para a banda de condução.044 eV a 27° logo. .2.3.044 eV para retirar o elétron extra. capaz de conduzir corrente. 4.(a) Estrutura do silício puro. mas nesse caso. o elétron extra transforma-se em um elétron livre. . Sobre aplicação de um campo elétrico. ao invés de substituirmos um átomo de silício por um elemento da família 15. e o átomo de fósforo fica ionizado adquirindo uma carga positiva (figura 7c). é C.617 FIGURA 7 .2 Semicondutores extrínsecos do tipo p (positivo) Mesmo procedimento que para semicondutores extrínsecos do tipo n. permitindolhe participar na condução elétrica. como o Boro.\nFIGURA 9: semicondutor do tipo FIGURA 10: semicondutor do tipo p . as formas extrínsecas n e p dos semicondutores são representadas na figura 9 para n (negativa) e na figura 10 para forma p (positiva).618 FIGURA 8: Estrutura de silício dopada com boro. Logo.\nos elétrons são os transportadores majoritários e os buracos os minoritários. No material do tipo p. Após junção dos materiais do tipo n e p. Uma vez que os íons formados na junção ou próximo dela são fisicamente maiores e mais pesados que os elétrons e buracos.619 5. o processo cessa. FIGURA 11: Diodo de junção p-n indicando-se a difusão para a junção dos portadores majoritários em uma situação de equilíbrio. pois os elétrons são impedidos de atravessar a junção para o . em que se forma uma junção juntando semicondutores de silício do tipo p e do tipo n. os transportadores majoritários na junção ou próximo dela difundem-se através da junção e recombinam-se (figura 11). DISPOSITIVOS SEMICONDUTORES 5. No material do tipo n. Após algumas recombinações dos transportadores majoritários na junção.1 O DIODO DE JUNÇÃO P-N EM EQUILÍBRIO Consideraremos um caso ideal. os dois tipos de semicondutores são eletricamente neutros. os buracos são transportadores majoritários e os elétrons são transportadores minoritários. Antes de se formar a junção. eles permaneceram nas respectivas redes do silício.\nisto é. sem potencial externo aplicado ao dispositivo. O mesmo acontece para os buracos. O mesmo ocorre para os buracos (portadores majoritários no material tipo p) no material do tipo p. Os íons imóveis da junção dão origem a uma zona isenta ou despejada de transportadores majoritários designada por região de depleção. O movimento destes portadores majoritários em ambos os materiais causa um aumento da largura da região de depleção. também se afastando da fonte. 5. os elétrons (transportadores majoritários) do material tipo n são atraídos para o terminal positivo da fonte. Eles são atraídos pelo negativo da fonte. Para estas ligações. FIGURA 12: diodo polarizado inversamente.620 material do tipo p. a uma diferença ou barreira de potencial que impede o fluxo de transportadores positivos. devido à repulsão dos íons negativos.2 O DIODO DE JUNÇÃO P-N POLARIZADO INVERSAMENTE Caso em que se aplica uma tensão externa com o positivo da fonte no material tipo n e a o negativo no material de tipo p (figura 12). isso faz com que não haja corrente . Em condição de equilíbrio. afastando-se da junção.\nFIGURA 13: diodo polarizado diretamente. a barreira de energia na junção torna-se menor. apenas uma corrente de fuga pelos portadores minoritários que é quase desprezível. a entrada de elétrons da fonte se da pelo material negativo do diodo. a outro elétron vindo da bateria. movendo-se para o terminal positivo da fonte. 5.3 O DIODO DE JUNÇÃO P-N POLARIZADO DIRETAMENTE Se for aplicada uma tensão externa com o positivo da fonte no material tipo p e a o negativo no material de tipo n (figura 13).621 transportada pelos portadores majoritários. Em polarização direta. por cada buraco que se recombina com um elétron no material do tipo n. há formação de um novo buraco por cada elétron que abandona o material do tipo p. Por cada elétron que atravessa a junção e se recombina com um buraco. Como a barreira de energia que se opõem à corrente de elétrons é reduzida quando a junção p-n esta polarizada. a uma passagem apreciável de corrente. Por outro lado. . Nesse tipo de polarização. o que permite que alguns elétrons e buracos atravessem a junção e se recombinem.\nQuando um elétron da extremidade inferior da banda de condução preenche um buraco na extremidade superior da banda de valência (um fenômeno conhecido como recombinação). Em quase todos esses casos. e . levaríamos em conta as correntes geradas pelos portadores minoritários.LightEmitting Diode). e o gráfico de um diodo polarizado reversa e diretamente seria o seguinte. os mostradores digitais estão em todas as partes. A seguir será apresentado como uma junção p-n pode emitir luz.622 Se não tivéssemos considerado sendo um caso ideal. a luz é emitida por uma junção p-n funcionando como um diodo emissor de luz (LED . 6. dos relógios de cabeceira aos fornos de microondas. No silício. FIGURA 14: Diodo com a influência dos portadores minoritários. Considere primeiro um semicondutor simples. germânio. e seria difícil passar sem os raios invisíveis da luz infravermelha que controlam as portas dos elevadores e fazem funcionar o controle remoto dos receptores de televisão. FUNCIONAMENTO DO LED Hoje em dia. uma energia Eg igual à diferença entre os dois níveis é liberada.\nproduzindo uma boa intensidade luminosa. Em alguns semicondutores. Assim. Neste caso. é preciso que haja um grande numero de recombinações. o número de par elétron-buraco é relativamente pequeno. a corrente i que atravessa a junção serve para injetar elétrons no lado n e buracos no lado p. cujo comprimento de onda é dado por: = Para que um semicondutor emita uma quantidade razoável de luz. FIGURA 15: LED polarizado diretamente. mas não existem elétrons suficientes para se recombinar com todos esses buracos. Um semicondutor do tipo n contém um grande número de elétrons. um semicondutor tipo p contém um grande número de buracos. nem um semicondutor puro nem um semicondutor dopado geram luz suficiente para serem usados em aplicações praticas. Isto não acontece em um semicondutor puro porque. . e dopar o semicondutor não resolve este problema. a energia pode ser emitida como um fóton de energia hf. mas não existem buracos suficientes para se recombinar com todos esses elétrons. à temperatura ambiente. em grandes números. esta energia se manifesta na forma de vibrações da rede cristalina. Podemos obter um dispositivo com esta propriedade polarizando diretamente uma junção p-n fortemente dopada (figura 15).623 muitos outros semicondutores. Estes elétrons e buracos se encontram nas proximidades do plano de junção e se recombinam em grandes números. O que precisamos é de um semicondutor nos quais elétrons e buracos estejam presentes na mesma região. porém.\nA seguinte figura mostra as cores que podem ser obtidas para diferentes materiais usados. uma recombinação de elétrons e buracos. energia potencial elétrica é convertida em energia eletromagnética. Para cada recombinação de uma carga negativa e uma positiva. incluindo o infravermelho. e a luz emitida é insignificante. Cada vez que um elétron faz a recombinação com uma carga positiva. geralmente uma combinação de elementos químicos como o gálio. parte desta energia será emitida na forma de calor e parte na forma de fótons.624 Alguns LEDs comerciais projetados para emitir luz visível são feitos de arsenieto de gálio (lado n) e arsenieto fosfeto de gálio (lado p). Em função do tipo de energia que é liberada podem se distinguir dois tipos de recombinação: Recombinação não radiante na qual a maioria da energia de recombinação se libera como energia térmica e a recombinação radiante. Usando diferentes proporções de arsênio. o numero de fótons da energia luminosa é suficiente para criar uma fonte de luz bem visível. a maior parte é na forma de calor. No silício e germânio. Em outros materiais. Esta recombinação exige que a energia do elétron livre não ligado seja transferida para um outro estado. Em qualquer junção p-n polarizada diretamente. fósforo e outros elementos (como o alumínio). existe. resulta em uma energia Eg de 1. Em todas as junções p-n do semicondutor. a maioria da energia de recombinação se libera em forma de luz. 6. Um arranjo no qual do lado p existem 60 átomos de arsênio e 40 átomos de átomos de fósforo para cada 100 átomos de gálio. como fosfeto de arsenieto de gálio (GaAsP) ou fosfeto de gálio (GaP).1 MATERIAIS UTILIZADOS NOS LED A cor da luz emitida pelo LED depende unicamente do material e do processo de fabricação (principalmente da dopagem de impurezas). que corresponde à luz vermelha. Então o LED é um diodo que emite luz quando energizado. arsênio e fósforo. é possível fabricar LEDs que emitem luz de praticamente qualquer cor. . um quantum de energia eletromagnética é emitido na forma de um fóton de luz com uma freqüência característica do material semicondutor.8 eV. dentro da estrutura e próximo principalmente da junção.\nCARACTERÍSTICAS E VANTAGENS DOS LEDs As características intrínsecas dos LEDs fazem com que estes dispositivos sejam a melhor alternativa como fontes de luz convencionais.625 FIGURA 16 . MATERIAL COMPRIMENTO COR DE ONDA AsGa InGaAsP AsGaAl AsGaP InGaAlP CSi 904 nm 1300 nm 750 – 850 nm 590 nm 560 nm 480 nm Infravermelho Infravermelho Vermelho Amarelo Verde Azul 7. comprimento de onda da luz emitida.Materiais utilizados na fabricação de alguns LED. Na tabela 1 aparecem alguns exemplos de materiais utilizados junto com as cores que estes materiais irradiam. Algumas características serão sitadas: . TABELA 1 .Gama de cores segundo o material semicondutor do LED. e eles fornecer uma ampla gama de utilização.\napenas. 7.03A.1W para operar. 7.626 7. um LED é concebido para funcionar há uma tensão de 2 a 3. O LED pode ser totalmente reciclado. 8.5 PROTEGER O MEIO AMBIENTE Os LEDs não são fabricados com materiais tóxicos. 7.1 TAMANHO PEQUENO Um LED pode ser extremamente pequeno e mesmo assim proporcionar um feixe de luz alto.02 a 0. diferente de outros tipos de lâmpadas. 8.000 horas. Geralmente. uma vez que o objetivo destes LEDs é acender indicar algo. TIPOS DE ENCAPSULAMENTOS Existem basicamente quatro tipos de encapsulamento. ao contrário com as lâmpadas fluorescentes que contenham mercúrio e colocou um risco de contaminação.3 LONGA VIDA Com uma tensão nominal de funcionamento e atmosfera apropriada. . indexado pela sua cor. 7. LEDs têm uma vida útil de aproximadamente 100. em relação a intensidade de luz por unidade de potencia gasta. onde apresenta alta eficiência luminosa e baixa emissão de calor.6V e 0. Um dos melhores LEDs do mercado hoje em dia é quase duas vezes tão eficiente como um filamento de tungstênio das lâmpadas incandescentes.2 BAIXO CONSUMO DE ENERGIA: Os LEDs têm um muito baixo consumo de eletricidade. isto significa que é necessário mais do que 0.4 ALTA EFICIÊNCIA LUMINOSA E BAIXA EMISSÃO DE CALOR Os LEDs podem converter quase toda a energia utilizada em luz.1 TRANSPARENTE OU ÁGUA CLARA É utilizado em alta potência para LEDs de emissão.\nelas são amplamente utilizadas em embalagens bicolores ou LEDs multicoloridos. COMPARAÇÃO ENTRE LÂMPADAS As lâmpadas mais utilizadas são as: incandescentes.4 LÁCTEA OU LEITOSA Este tipo de embalagem é uma difusa. O LED bicolor é composto por um cátodo comum e dois ânodos (três terminais) ou dois LEDs colocados em oposição (dois terminais). 8.2 COLORIDAS OU DE COR Similar ao acima. e são coloridos com as cores de emissão. mas colorido com a cor de emissão semelhante ao substrato de algumas garrafas de vidro. fluorescentes tubulares. mas não coloridas. halógenas. As pequenas partículas em suspensão de tamanho microscópico são responsáveis por desviar a luz. o substrato do LED é o que determina a cor de emissão e não encapsulamento.627 8.3 DIFUSO OU DIFUSA Os LEDs têm uma característica mais opaca do que o anterior. 8. devido as reflexões causadas pelas partículas. este tipo de embalagem acrescenta muitos ângulos de visão.1 INCANDESCENTES FIGURA 17 – Lâmpada Incandescente . 9. fluorescentes compactas e de LEDs. 9. É muito importante notar que em todos os casos.\n628 TABELA 2 – Características da lâmpada incandescente Consumo Fluxo luminoso Vida útil Preço Eficiência luminosa Na casa ecológica 60 W 900 lumens 1000 horas $ 15 lumens/watt Não recomendada Inventadas por Thomas Edison. Lâmpadas incandescentes devem ser evitadas em uma casa ambientalmente correta. Tem consumo relativo um pouco menor e são mais duráveis do que as incandescentes. 9.2 HALÓGENAS FIGURA 18 – Lâmpada halôgenas TABELA 3 – Características da lâmpada halôgenas Consumo Fluxo luminoso Vida útil Preço Eficiência luminosa Na casa ecológica 50 W 900 lumens 2000 horas $$ 18 lumens/watt Não recomendada Introduzidas no mercado mais recentemente. Não são lâmpadas indicadas “ambientalmente corretas”. Desperdiçam muita energia em forma de calor. produzem uma luz branca e brilhante. São as que mais consomem energia e têm a menor vida útil. mais baratas e mais usadas. são as mais antigas. . para aquecer o filamento de tungstênio.\n4 FLUORESCENTES COMPACTAS FIGURA 20 – Lâmpada fluorescente compacta .3 FLUORESCENTES TUBULARES FIGURA 19 – Lâmpada fluorescente tubular TABELA 4 – Características da lâmpada fluorescente tubular Consumo Fluxo luminoso Vida útil Preço Eficiência luminosa Na casa ecológica 20 W 1000 lumens 7500 horas $$ 50 lumens/watt recomendada Não devem ser quebradas e seu descarte exige coleta especial porque utilizam mercúrio em sua fabricação.629 9. 9. Não apresenta impacto ambiental considerável. o que representa um custo adicional. Para funcionar. precisa de reator e starter. São lâmpadas de baixo consumo de energia e vida útil longa.\nmas é compensado pela vida útil longa e pela economia de energia elétrica.630 TABELA 5 – Características da lâmpada fluorescente compacta Consumo Fluxo luminoso Vida útil Preço Eficiência luminosa Na casa ecológica 15 W 900 lumens 8000 horas $$$ 60 lumens/watt Altamente recomendada Mais recentes no mercado. A desvantagem delas ainda é o preço. Além da vida útil longa e do baixo consumo apresentam outras vantagens: podem ser rosqueadas nos mesmos bocais das lâmpadas incandescentes. Não devem ser quebradas e exigem coleta de resíduos especial por causa do mercúrio presente nos tubos. são uma evolução das fluorescentes tubulares. se adaptam a uma variedade maior de luminárias.5 LEDS FIGURA 21 – Lâmpada de LEDs . Altamente recomendadas em relação a impacto ambiental. não precisam de reator e starter e. bem mais alto que o das incandescentes. O investimento inicial maior. por serem compactas. 9.\nAcrescentados os filamentos metálicos que conduzem os impulsos elétricos a cada célula. 10. INOVAÇÕES TECNOLÓGICAS Há várias inovações tecnológicas na área de iluminação relacionada aos diodos emissores de luz. A vantagem é que ao contrário dos diodos tradicionais.1 OLED O OLED (Organic Light-Emitting Diode).2 EMISSÃO DE ULTRAVIOLETA Mas agora essas pequenas lâmpadas de estado sólido começam a avançar em outras fronteiras. compostos por moléculas de carbono que emitem luz ao receberem uma carga elétrica.5 W 300 lumens 50000 horas $$$$ 200 lumens/watt Altamente recomendada As lâmpadas de LEDs são formadas por LEDs agrupados e representam a nova promessa da indústria para reduzir o consumo de energia com iluminação. Cientistas da empresa japonesa NTT conseguiram fabricar LEDs capazes de emitir luz com o menor comprimento de onda já observado em . 10. essas moléculas podem ser diretamente aplicadas sobre a superfície da tela. 10. usando um método de impressão. mas têm uma durabilidade altíssima e baixíssimo consumo de energia. Diodo orgânico emissor de é uma tecnologia criada pela Kodak em 1980 e que promete telas planas muito mais finas.631 TABELA 6 – Características da lâmpada LEDs Consumo Fluxo luminoso Vida útil Preço Eficiência luminosa Na casa ecológica 1. está pronta uma tela a um custo extremamente baixo. Essas lâmpadas não são fabricadas com materiais tóxicos. Essas lâmpadas ainda são bem caras. A idéia é usar diodos orgânicos. leves e baratas que as atuais telas de LCD. e pode ser totalmente reciclada. Serão apresentadas duas consideradas verdadeiramente importantes em relação ao futuro.\nmas até um comprimento de onda de 365 nanômetros.2. Já os novos LEDs ultravioleta são fabricados com nitreto de alumínio (AlN). REFERÊNCIAS BOYLESTAD R. ou seja.4. RESNICK Robert. A luz ultravioleta é largamente utilizada para a esterilização de objetos médicos e até da água potável. WALKER Jearl. Dispositivos eletrônicos e teoria de circuitos. O grande feito dos cientistas japoneses foi descobrir uma forma de dopar o AlN. 1996. que até agora tinha se mostrado altamente resistente a um aumento dos dopantes. 2ed.v. 2003. Estes LEDs são feitos de nitreto de gálio (GaN). São Paulo: Edgard Blucher. Materiais elétricos: Condutores e Semicondutores. SCHMIDT Walfredo. ou seja. 1998. v. SMITH Willian F. Já existem LEDs disponíveis comercialmente. 3ed. capazes de emitir luz na faixa do azul e do ultravioleta. Fundamentos da Física. E ela é capaz também de destruir dioxinas e as moléculas estáveis dos perigosos PCBs (bifenilas policloradas). Portugal: Mc GRAW-HILL. na região do ultravioleta profundo. HALLIDAY David. compostos altamente danosos ao meio-ambiente. Rio de Janeiro: LTC.entre 200 e 300 nanômetros. 11. .632 qualquer semicondutor . ainda na faixa do quase-infravermelho. Princípios de Ciência e Engenharia dos Materiais. São Paulo: Pearson Prentice Hall. 6ed. 2004. L.\n" IEEE Trans. INTRODUÇÃO Em 1971 um engenheiro da Universidade de Berkerley. Expôs suas teorias em: "Memristor . UM NOVO ELEMENTO PASSIVO Érika Suek 1. os três básicos elementos passivos são definidos através de relações entre duas de quatro variáveis de circuitos. O qual foi possível ser construído. dadas por: e v). Be As outras relações se devem às explicações da teoria de • Fluxo magnético(relação entre B q. um tipo de resistor com memória. 1 .v=Ri (relação entre v e i). 37 anos após os seus primeiros estudos. Um dos pioneiros da teoria de circuitos não lineares. 507-519 (1971). a qual será descrita pela característica do novo elemento passivo: • MemresistênciaB=M.q=CV (relação entre carga q e v). Mas até aquele momento não se sabia ao certo como montar este tipo de elemento.The missing circuit element. Dos teoremas de circuitos. • IndutânciaB B. Circuit Theory CT-18.t (relação entre q e i). carga elétrica (q) e fluxo magnético aos elementos: • Resistência.q=i. denominadas: corrente (i). Dr. Leon Chua1. pensou que deveria haver um quarto tipo de elemento passivo elétrico. • Carga Elétrica.t Be i). quando combinadas dois a dois geram seis possibilidades de relações. com a contribuição da grandiosa nanotecnologia.633 MENRISTOR. tensão (v). Nas quais três delas se devem =Li (relação entre B=v. • Capacitância. a de carga com o fluxo magnético.q (relação entre B e q). Restando apenas uma relação. No laboratório da Hewlett-Packard (HP).\nPara o memristor o tamanho deste tubo é variável. tornando menos resistivo. a largura inicial do tubo . se uma quantidade de água for empurrada para dentro do tubo em uma determinada direção. aumentando a resistência.Os quatro elementos passivos fundamentais de circuitos Desta relação irá surgir um elemento parecido a um tipo de resistor não-linear com a idéia de se ter uma memória acoplada a este resistor. Para um melhor entendimento de como funciona um memristor é utilizada a mesma analogia que é feita para um resistor: um tubo pelo qual uma certa quantidade de água(eletricidade) escoa dentro dele. O que levou à continuidade dos estudos de Leon Chua foram as pesquisas de Stanley Williams e sua equipe no laboratório da Hewlett-Packard (HP) ao trabalhar com a eletrônica molecular e verificar que havia comportamentos inesperados e totalmente diferentes em seus dispositivos que dificilmente seriam explicados pelos atuais elementos. Quando o fluxo de água para de passar o tamanho do tubo não irá ser modificado. No caso do resistor a largura do tubo é análoga a resistência quanto mais água passar pelo tubo maior será a resistência desse tubo. Se a água for empurrada na outra direção o tamanho do tubo será reduzido. com o tamanho do tubo sempre constante para um dado resistor. diferenciando um resistor de outro pelos tamanhos dos tubos. o que os levou a encontrar o artigo de Leon Chua.634 FIGURA 1 . o tubo aumenta de tamanho. permanecerá o mesmo do anterior. Quando a água voltar a escoar dentro deste tubo. a qual exerceria uma função de “memória ativa” para quando se desligar um circuito esperando que todas as suas tensões e correntes armazenadas sejam nulas e em seguida ligá-lo novamente este resistor saberá o quanto de corrente passou no instante anterior ao desligamento da chave.\nQuando uma corrente elétrica é aplicada a um deles. Que foi criado nos últimos anos com o auxílio da nanotecnologia. e na prática foi construído um dispositivo com muitos transistores. mostrando 17 memristores lado a lado.Imagem feita em microscópio de força atômica. o que compreende cerca de 150 átomos. FIGURA 2 . e há 37 anos foi demonstrada teoricamente por Chua. O comportamento da memresistência já tinha sido observado há mais de 50 anos atrás. . para fazer o mesmo efeito de um único memristor. Acredita-se que este novo elemento pode ser a chave para as tão almejadas redes neurais realistas. ESTRUTURA DO MEMRISTOR Os memristores são nano fios com 50 nanômetros de largura. a resistência dos outros se altera.635 será a mesma que aquela obtida anteriormente ao desligamento da passagem de água. Os nano fios são formados por duas camadas de dióxido de titânio conectadas a condutores. 2. muito utilizada na área de Inteligência Artificial. capacitores e ampliadores. ao invés das artificiais.\n. Como silício. possuindo baixa resistência (Ron). Contudo. A resistência total desde dispositivo é determinada por dois resistores variáveis conectados em série. O deslocamento de corrente elétrica em outra direção então empurrará o dopante para trás. ele pode ser dopado com outros elementos para fazê-lo muito condutivo.imagem microscópica de 17 memristores. aumentado assim à resistência elétrica do TiO2. ele tende a derivar na direção da corrente elétrica. material de pintura branca e filtro solar.636 FIGURA 3 . nos consideramos um filme fino de semicondutor de espessura D. A natureza microscópica do fato destes dispositivos alternarem as resistências e o transporte de carga em tais dispositivos atualmente encontra-se em debate. e a outra resistência possui aproximadamente zero de concentração de dopantes e alta resistência (Roff). o dióxido de titânio que é um semicondutor. entre dois contatos de meta. causa a diminuição da resistência elétrica. a película de semicondutor possui uma região com alta concentração de dopantes (considerada como sendo íons positivos). Baseado nisso. onde as resistências são dadas pelo total comprimento D do dispositivo. Tal mobilidade é um veneno para um transistor comum. Mas uma proposta é dada pelo fato de que histerese requerer mais ou menos um arranjo eletrônico que modula a corrente eletrônica. dopado não fica estacionário em um alto campo elétrico. Especificamente. como mostra a figura abaixo. A colocação de um nível de tensão através de um filme fino de semicondutor TiO2 dopado apenas de um lado. mas resulta exatamente no efeito desejado em um memristor. O TiO2. em seu estado puro é altamente resistivo. William encontrou um memristor ideal de dióxido de titânio.\n3. se M(q) for uma constante. Tem-se na fórmula a seguir a memresistência em função do tempo: V(t)=M(q(t))i(t) Com as observações de que. pode revelar a dependência linear na operação do circuito induzindo uma tensão mensurável sem o movimento da rede de cargas elétricas. Além do mais. . através da Lei da Indução de Faraday. Escrevendo a equação de maneira mais conveniente temos: Com a equação acima temos então que a memresistência é apenas a resistência elétrica dependente de carga elétrica.637 FIGURA 4 . encontraremos v(t)=0 e um M(t) constante. que o fluxo magnético é dado por uma integral no tempo da tensão elétrica. desde que a carga seja invariante no tempo. Com corrente alternada.filme fine de TiO2 com seus terminais e representações. Tão logo que a máxima carga de q não irá causar modificações em M. pois q e M(q) irão variar com o tempo. Se M(q) for não-trivial. Logo. a característica deste dispositivo se deve ao fluxo magnético e a quantidade de carga elétrica que atravessa os terminais do memristor como dado na equação a seguir: Sabe-se. EQUACIONAMENTO DA MEMRESISTÊNCIA Como comentado nas seções anteriores. contudo. contudo. então obteremos a Lei de Ohm (V=RI). a equação descrita acima revela que a memresitência define uma relação linear entre tensão e corrente. e a carga elétrica é a integral no tempo da corrente elétrica. a equação não será equivalente. se nenhuma corrente for aplicada em seus terminais o memresistor é estático.E a base para que um memresistor haja da forma como se tivesse uma memória acoplada a um resistor se deve à seguinte análise: Se I(t)=0.\nDIÓXIDO DE TITÂNIO-TiO2 O dióxido de titânio é também conhecido como óxido de titânio (IV) ou titânia. pode ser obtido em três formas cristalinas: Rutilo: um mineral usualmente tetragonal de hábito prismático.Anatase:um mineral tetragonal de hábito octaédrico . Este elemento não é encontrado puro na natureza. pois este material possui alto índice de refração. temos uma similaridade com o resistor: P(t)=i(t)v(t)=i2(t)M(q(t)) Quando a variação de M(q(t)) for relativamente pequena. alta transmitância e estabilidade química.638 Analisando agora as características de consumo de energia elétrica. sua grande faixa de atuação se deve ao aumento nos estudos na área da nanotecnologia. geralmente com cristais maclados. FIGURA 5 . tanto a corrente elétrica quanto o consumo de energia elétrica vão parar rapidamente. Este óxido é polimórfico. quando o elemento estiver sujeito a uma corrente alternada. 4. É um material semicondutor muito utilizado como pigmento em microeletrônica. se M(q(t)) aumentar rapidamente. deve ser extraído de minérios como a ilmenita. o memristor parecerá como sendo um resistor elétrico.\n639 FIGURA 6 . Já os materiais extrínsecos podem conter de 100 a 1000 ppm de impurezas. 5.pelo fato de que um aumento da temperatura de um semicondutor pode resultar em um aumento substitucional do numero de elétrons livres no material. Para se aumentar a condutividade de um material semicondutor é feito a sua dopagem ou eleva-se a temperatura em que ele está exposto. Dependendo do tipo de substancia a ser colocada na estrutura do material tem-se material do tipo p ou n. Um material semicondutor submetido ao processo de dopagem é chamado de material extrínseco. mas acontece. São tão puros quanto permite a tecnologia moderna. COMPORTAMENTO DE SEMICONDUTORES O Dióxido de Titânio é um semicondutor. mas maior da que de um material condutor. Material do tipo p tem a lacuna como portador majoritário e o elétron como portador minoritário. ou seja. É de suma importância saber que a concentração de impurezas em semicondutores intrínsecos é normalmente menor que 1 ppm. Sabe-se que materiais intrínsecos são semicondutores cuidadosamente refinados para se obter a redução de impurezas a um nível muito baixo. sua condutividade não é tão fácil como a de um material condutor.Brookita:um mineral ortorrômbico Para entende um pouco mais sobre os memristores deve-se estudar também como um material semicondutor se comporta e como se dá a sua dopagem. . o que significa que este tipo de material possui uma diferença de um gap de energia menor que de um material isolante. Um material do tipo n o elétron é chamado de portador majoritário e a lacuna é chamada de portador minoritário.\nMemristor: cientistas comprovam existência do quarto componente eletrônico fundamental. Duncan R. HP makes memory from a once-theoretical circuit .com/8301-10784_3-9932054-7. Memristor. The missing memristor found. Revista: Nature Physics. Disponível em: <http://news. R. Snider. September 1971. REFERÊNCIAS Leon O.2008 . com informações enxutas para apenas explicar o que seria este elemento e como funciona.2008. Se com apenas três elementos fundamentais passivos atualmente existentes já são construídos uma infinidade de eletrônicos. Chua. CONCLUSÃO A maior dificuldade ao formular o presente trabalho deu-se ao fato de que as publicações destes artigos sobre o memristor foram feitas há apenas dois meses atrás. Outra dificuldade aconteceu pelo fato de que tais artigos estão escritos em inglês. 80-83 WIKIPEDIA. Com a presente pesquisa foi possível concluir que o avanço nos estudos da nanotecnologia irá nos auxiliar na criação de novos componentes com mais eficiência do que os elementos já existentes. Stanley Williams.Dmitri B.The Missing Circuit Element. Disponível em :< http://en. INOVAÇÕES TECNOLÓGICAS.com. IEEE Transactions on Circuit Theory.br/noticias/noticia.Vol.org/wiki/Memristor > Acesso em: 1 de julho.cnet. Disponível em:< http://www.php?artigo=memristor-cientistas-comprovam-existencia-do-quarto-componente-eletronicofundamental&id=010110080502> Acesso em: 05 de julho. Memristor .: 453.inovacaotecnologica. Stewart. Gregory S.2008.2008. .html?hhTest=1 > Acesso em:7 de julho.wikipedia. sem muitos detalhes na sua construção. o que dificultou a compreensão de algumas palavras científicas. Strukov. 1 de maio.640 6. Michael Kanellos. o que esperaremos daqui a alguns anos com a descoberta deste novo elemento? 7.\npois suas estruturas apresentarão um número maior de portadores livres(lacunas e elétrons livres) e poucas impurezas que impedem a condução da corrente elétrica. Para a formação do cristal N. acarretando no aparecimento de mais portadores livres para a condução de veículo embriagado. normalmente feitos de silício e germânio. obter-se-á átomos neutralizados(com oito elétrons na camada de valência) e um elétron excedente (cristal N). gerando regiões de condução do . É o tipo mais simples de componente eletrônico semicondutor. Outro fator que influencia na condução desses materiais é a temperatura. utiliza-se principalmente o elemento Fósforo. INTRODUÇÃO O objetivo principal deste trabalho é o estudo das aplicações da ciência dos materiais em engenharia. Dopando esses cristais com elementos trivalentes. Para a formação do cristal P. obterá átomos com sete elétrons na camada de valência. dispositivo semicondutor muito utilizado na engenharia elétrica. maior será a condutibilidade pelo fato de que a energia térmica ter a capacidade de quebrar algumas ligações covalentes da estrutura se desfaçam. Dopando os cristais tetravalentes com elementos pentavalentes. usado como retificador de corrente elétrica. Quanto maior for sua temperatura. Quanto maior a intensidade da dopagem. que necessitam de mais um elétron para a neutralização (cristal P). O foco do trabalho será em diodos. DOPAGEM DO DIODO SEMICONDUTOR E OS CRISTAIS P E N A dopagem no diodo é feita pela introdução de elementos dentro de cristais tetravalentes. Após dopadas. cada face dos dois tipos de cristais(P e N)terá uma determinada característica diferente da oposta.641 APLICAÇÃO DA CIENCIA DOS MATERIAIS: DIODOS Diogo Marujo 1. Diodo semicondutor é um dispositivo ou componente eletrônico composto de cristal semicondutor de silício ou germânio numa película cristalina cujas faces opostas são dopadas por diferentes gases durante sua formação. 2. maior será a condutibilidade dos cristais. utiliza-se principalmente o elemento Índio .\nhaverá uma região de equilíbrio por recombinação de cargas positivas e negativas. e entre ambas. outra com falta destes (lacunas). . uma com excesso de elétrons.642 cristal. chamada de região de depleção(à qual possui uma barreira de potencial).\ngerando uma pequena tensão interna. Quando a tensão a que é submetido o diodo .3V ou <0.643 FIGURA 1 . uma de maioria negativa. nem de carga positiva. Na região neutra não há excesso de elétrons nem lacunas porque alguns elétrons do material tipo N se difundem pela junção e entram em combinação com algumas lacunas(buracos) do material tipo P.alimentado por uma fonte geradora. . Essa barreira de potencial causa uma queda de tensão. Com a passagem de lacunas para a camada N. outra de maioria positiva. Entre as duas regiões. algumas lacunas(buracos) se difundem pela junção e entram em combinação com alguns elétrons do material do tipo N.7V). que pode chegar aproximadamente a 0. existe uma terceira. isto é. reciprocamente. gera-se um pequeno potencial elétrico positivo e com a passagem de elétrons livres para a camada P. por isso do nome barreira de potencial. esta de maioria neutra. porém se a tensão a que for submetido o diodo for mais alta do que sua barreira de potencial.7 volts nos diodos de silício.Junção P-N. interferindo na tensão sobre os outros componentes pertencentes ao mesmo circuito do diodo. ou barreira de potencial. a corrente elétrica torna-se alta e a oposição dos portadores livres feita pela barreira de potencial é pequena em relação a tensão de alimentação.3 volts nos diodos de germânio e 0. sendo quase desprezível. nem de carga negativa. é menor que sua barreira de potencial(<0. é a junção entre ambas. gera-se um pequeno potencial elétrico negativo. as cargas positivas ou lacunas(buracos) conduzem corrente elétrica pelo fato de que uma lacuna é ocupada por um elétron proveniente de uma corrente elétrica que passa sobre o cristal e que força a criação de outra lacuna atrás de si. chamada de região neutra da junção P-N. Da mesma forma que os elétrons livres do cristal N se movimentam. a corrente elétrica é baixíssima pela oposição ao fluxo de portadores livres feita pela barreira de potencial.\nO bloqueio de corrente elétrica no diodo(polarização inversa) não é total devido novamente pela presença . os portadores livres se repeliram por causa da polaridade da fonte geradora e conseguiram ultrapassar a junção P-N. A polarização é direta quando o pólo positivo da fonte geradora entra em contato com o lado do cristal P(chamado de anodo) e o pólo negativo da fonte geradora entra em contato com o lado do cristal N(chamado de catodo). ocorrerá uma atração das lacunas do anodo(cristal P) pela polarização negativa da fonte geradora e uma atração dos elétrons livres do catodo(cristal N) pela polarização positiva da fonte geradora. Pelo fato de que os diodos fabricados não são ideais(contém impurezas). O gráfico mostra a curva característica do comportamento do diodo em sua polarização direta e inversa A polarização do diodo é dependente da polarização da fonte geradora. se a tensão da fonte geradora for maior que a tensão interna do diodo. POLARIZAÇÃO DO DIODO FIGURA 2 – Polarização direta e inversa do diodo. sem existir um fluxo de portadores livres na junção P-N. a condução de corrente elétrica no diodo(polarização direta) sofre uma resistência menor que 1 ohm.644 3. que é quase desprezível. A polarização é indireta quando o inverso ocorre. movimentando-os e permitindo a passagem de corrente elétrica. ocasionando no bloqueio da corrente elétrica. Assim. Assim.\npois permite que a corrente flua entre seus terminais apenas numa direção. 4. este é o efeito diodo semicondutor tão usado na eletrônica. diodos de sinal caracterizam-se por retificar sinais de alta freqüência. TIPOS DE DIODOS SEMICONDUTORES Os diodos são projetados para assumir diferentes características: diodos retificadores são capazes de conduzir altas correntes elétricas em baixa freqüência. . significa que os elétrons circulam em dois sentidos. que também é quase desprezível. 5. A certa altura o potencial U. portanto. diodos de chaveamento são indicados na condução de altas correntes em circuitos chaveados. Corrente contínua. Os retificadores são circuitos elétricos que convertem a tensão CA (AC) em tensão CC (DC). UTILIDADE O fenômeno da condutividade em um só sentido é aproveitado como um chaveamento da corrente elétrica para a retificação de sinais senoidais. este processo dá-se devida assimetria de cargas existente.645 de impurezas. Esta propriedade é utilizada em grande número de circuitos eletrônicos e nos retificadores. Dependendo das características dos materiais e dopagem dos semicondutores há uma gama de dispositivos eletrônicos variantes do diodo: FIGURA 3 – Diferentes tipos de diodo. isto é circula num só sentido. formado a partir da junção n e p não deixa os elétrons e lacunas movimentarem-se. CA vem de Corrente alternada. tendo uma pequena corrente que é conduzida na ordem de microampéres. CC (DC). chamada de corrente de fuga.\nA forma simplificada de uma junção P-N de um LED demonstra seu processo de eletroluminescência. como o arseneto de gálio (GaAs) ou o fosfeto de gálio (GaP). formando o semicondutor do tipo N. Os semicondutores também podem ser do tipo compensados. ou Diodo Emissor de Luz. Neste caso. deixando "lacunas" (ou buracos). o que ocorre na forma de calor ou fótons de luz. Já em outros materiais. portanto. o material dopante contém átomos com um elétron a mais do que o semicondutor puro em sua faixa de valência. próximo à junção. e os componentes que trabalham com maior capacidade de corrente chegam a precisar de irradiadores de calor (dissipadores) para ajudar na manutenção dessa temperatura em um patamar tolerável. o número de fótons de luz emitido é suficiente para constituir fontes de luz bastante eficientes. entre outros componentes eletrônicos. sendo insignificante a luz emitida (devido a opacidade do material). O material dopante de uma área do semicondutor contém átomos com um elétron a menos na banda de valência em relação ao material semicondutor. Na outra área do semicondutor. Na ligação. No silício e no germânio.1 LED LED é a sigla em inglês para Light Emitting Diode. que até então era livre. o semicondutor torna-se do tipo P. dentro da estrutura. Em qualquer junção P-N polarizada diretamente.646 5. na ligação esse elétron fica disponível sob a forma de elétron livre. A luz não é monocromática (como em um laser). ocorrem recombinações de lacunas e elétrons. O processo de emissão de luz pela aplicação de uma fonte elétrica de energia é chamado eletroluminescência. seja liberada. O LED é um diodo semicondutor (junção P-N) que quando energizado emite luz visível. Essa recombinação exige que a energia possuída por esse elétron. a maior parte da energia é liberada na forma de calor. Portanto. isto é. possuem ambos os dopantes (P e N). que são os elementos básicos dos diodos e transistores. mas consiste de uma banda espectral relativamente estreita e é produzida pelas interações energéticas do elétron. os íons desse material dopante (íons "aceitadores") removem elétrons de valência do semicondutor. o dopante em maior concentração .\nA possibilidade dessa recombinação ocorrer na banda proibida se deve à criação de estados eletrônicos de energia nessa área pela introdução de outras impurezas no material. Quanto maior a mobilidade dos portadores. pode acontecer na banda de valência ou na proibida. não terá elétrons nessa banda (daí ser chamada "proibida"). . Como a recombinação ocorre mais facilmente no nível de energia mais próximo da banda de condução. de modo a exibirem bandas adequadas para a emissão da cor de luz desejada (comprimento de onda específico). que ocorre depois de vencida a barreira de potencial. Aqui é preciso ressaltar um fato físico do semicondutor: nesses materiais. menor será a perda de energia. A região compreendida entre o topo da de valência e a parte inferior da de condução é a chamada "banda proibida". Isso implicará.647 determinará a que tipo pertence o semicondutor. O LED que utiliza o arseneto de gálio emite radiações infravermelhas. contudo. criando uma fina camada praticamente isenta de portadores de carga. pode-se escolher adequadamente as impurezas para a confecção dos LEDS. portanto mais baixa será a resistividade. elétrons e lacunas se recombinam. A Mobilidade dos Portadores é a facilidade com que cargas n e p (elétrons e buracos) atravessam a estrutura cristalina do material sem colidir com a vibração da estrutura. A cor. Dopando-se com fósforo. Um elétron livre ou uma lacuna só pode atravessar a barreira de potencial mediante a aplicação de energia externa (polarização direta da junção). mas a banda colorida é relativamente estreita. que por não apresentarem portadores de carga "isolam" as demais lacunas do material P dos outros elétrons livres do material N. Se o material semicondutor for puro. Por exemplo. a chamada barreira de potencial. os elétrons só podem assumir determinados níveis de energia (níveis discretizados). sendo as bandas de valência e de condução as de maiores níveis energéticos para os elétrons ocuparem. Funcionamento A luz emitida não é monocromática. a emissão pode ser vermelha ou amarela. A recombinação entre elétrons e lacunas. onde temos apenas os íons "doadores" da região N e os íons "aceitadores" da região P. o semicondutor será do tipo P. Na região de contato das áreas. se existem mais dopantes que levariam ao P do que do tipo N. dependente do cristal e da impureza de dopagem com que o componente é fabricado. na redução da Mobilidade dos Portadores. portanto.\nesses LEDS tornam-se ótimos substitutos para as lâmpadas comuns. os verdes entre 2. a maioria dos fabricantes adota um "código" de identificação para a determinação externa dos terminais A (anodo) e K (catodo) dos LEDS. É interessante notar que a tensão é dependente do comprimento da onda emitida. um verde (G de green) e um azul (B de blue). seu alto rendimento e sua grande durabilidade. Sendo polarizado. a luz emitida pode ser verde ou amarela. e devem substituí-las a médio ou longo prazo. mas esses são geralmente LEDS emissores de cor azul. Em geral.0V e 3. o que permite que se obtenha um verdadeiro show de luzes utilizando apenas um LED. Com o barateamento do preço.648 de acordo com a concentração. que absorve a luz azul e emite a luz branca. com um tempo de vida útil de 100. os LEDS infravermelhos geralmente funcionam com menos de 1. sendo compatíveis com os circuitos de estado sólido. em Poá-SP. Existem fabricantes que adotam simultaneamente as duas formas de identificação. com o uso de outros materiais.7V ou 2.7V. Nos LEDS retangulares. consegue-se fabricar LEDS que emitem luz azul. duas codificações são comuns: identifica-se o terminal K como sendo aquele junto a um pequeno chanfro na lateral da base circular do seu invólucro ("corpo").3V. e que são formados por três "chips". revestidos com uma camada de fósforo do mesmo tipo usado nas lâmpadas fluorescentes. Assim. ou por ser o terminal mais curto dos dois. os LEDS operam com nível de tensão de 1. um vermelho (R de red).0V. alguns fabricantes marcam o terminal K com um pequeno "alargamento" do terminal junto à base do componente. os vermelhos com 1. violeta e ultra-violeta geralmente precisam de mais de 3V.5V.6 a 3. Semáforo de LED com contador regressivo. . Existem também os LEDS brancos chamados RGB (mais caros).000 ou mais horas. Uma variação dos LEDS RGB são LEDS com um microcontrolador integrado. Hoje em dia.0V. A potência necessária está na faixa típica de 10 a 150 mW. sua característica de polarização direta é semelhante à de um diodo semicondutor. enquanto os LEDS azuis. Existem também os LEDS brancos. Brasil Como o LED é um dispositivo de junção P-N. os amarelos com 1. ou então deixam esse terminal mais curto. Utilizando-se fosfeto de gálio com dopagem de nitrogênio. Nos LEDS redondos. violeta e até ultravioleta.\nesse tipo de LED é na realidade um "tricolor". Há também LEDS bicolores. uma vez que a corrente deve ser limitada para que a junção não seja danificada. pode acontecer do componente não trazer qualquer referência externa de identificação dos terminais. os LEDS grandes (de aproximadamente 5 mm de diâmetro. Assim. que são constituídos por duas junções de materiais diferentes em um mesmo invólucro. outro para acionar a junção dopada com material para gerar a luz vermelha. quando alimentado por tensão C. Geralmente. é comum o uso de suportes plásticos com rosca. Por isso. com a finalidade de conduzir . resultando na emissão de luz alaranjada. Como o diodo.. Para fixação nesses painéis. essas duas junções podem ser simultaneamente polarizadas. Os diodos emissores de luz são empregados também na construção dos displays alfas-numéricos. os LEDS são utilizados em substituição às lâmpadas de sinalização ou lâmpadas pilotos nos painéis dos instrumentos e aparelhos diversos. Embora normalmente seja tratado por LED bicolor (vermelho+verde). o uso de um resistor limitador em série com o LED é comum nos circuitos que o utilizam. podendo-se danificá-los com apenas 5V de tensão nesse sentido. quando redondos) trabalham com correntes da ordem de 12 a 30 mA e os pequenos (com aproximadamente 3 mm de diâmetro) operam com a metade desse valor. às vezes o catodo é mais baixo do que o anodo. Tipicamente. e vice-versa.649 Mas. pode-se identificar o catodo (K) como sendo o terminal que contém o eletrodo interno mais largo do que o eletrodo do outro terminal (anodo). de modo que uma inversão na polarização muda a cor da luz emitida de verde para vermelho.A. o LED não pode receber tensão diretamente entre seus terminais. Existem ainda LEDS bicolores com três terminais. Além de mais largo. se o invólucro for semitransparente. O terminal comum pode corresponder à interligação dos anodos das junções (LEDS bicolores em anodo comum) ou dos seus catodos (LEDS bicolores em catodo comum). e o terceiro comum às duas junções. o LED costuma ser acompanhado de um diodo retificador em antiparalelo (polaridade invertida em relação ao LED). Nesse caso. Os LEDS não suportam tensão reversa (Vr) de valor significativo. já que além das duas cores independentes. sendo um para acionar a junção dopada com material para produzir luz verde. cada qual gerada em uma junção.\nos semi-ciclos nos quais ele - o LED - fica no corte, limitando essa tensão reversa em torno de 0,7V (tensão direta máxima do diodo), um valor suficientemente baixo para que sua junção não se danifique. Pode-se adotar também uma ligação em série entre o diodo de proteção e o LED.\nFIGURA 4– Tamanho de LED. 5. 2 DIODO ZENER Diodo Zener é um tipo de diodo especialmente projetado para trabalhar na região de avalanche, ou seja, na região de ruptura de tensão reversa da junção PN. O diodo Zener difere do diodo convencional pelo fato de receber uma dopagem (tipo N ou P) maior, o que provoca a aproximação da curva na região de avalanche ao eixo vertical. Isto reduz consideravelmente a tensão de ruptura e evidencia o efeito Zener que é mais notável à tensões relativamente baixas (em torno de 5,5V). Desta forma, qualquer diodo que seja projetado para operar na região de avalanche (mesmo que não seja a baixas tensões) é denominado de diodo Zener. A seguir é mostrado um esquema do funcionamento do diodo zener:\nFIGURA 5 – Diodo Zener (esquemático). Uma polarização inversa abaixa a descontinuidade do lado n da junção e eleva a descontinuidade do lado p. Pequena corrente flui nas partes (a) e (b) porque há poucos elétrons na banda de condução (BC) do lado p, ou seja, poucos elétrons servindo como transportadores. (c) Quando a voltagem se torna grande o suficiente, uma avalanche de elétrons pode se mover diretamente da banda de valência (BV) do lado p da junção para a banda de condução do lado n. Se a voltagem inversa for diminuída, a situação retroage para (b) e (a), e apenas correntes desprezíveis fluirão nesses sentidos. Essa voltagem incidental pode ser calibrada. O diodo Zener pode funcionar polarizado diretamente ou inversamente. Quando está polarizado diretamente, funciona como outro diodo qualquer, não conduz enquanto a tensão aos seus terminais for inferior a 0,6 V (diodo de silício) e a partir desta tensão começa a conduzir, primeiro pouco e depois cada vez mais depressa, sendo não linear a curva de crescimento da corrente com a tensão. Por esse fato, a sua tensão de condução não é única, sendo considerada de 0,6 ou 0,7 V. Qualquer diodo inversamente polarizado praticamente não conduz desde que não ultrapasse a tensão de ruptura. Na verdade, existe uma pequena corrente inversa, chamada de "corrente de saturação" e devida unicamente à geração de pares de eléctrão-lacuna na região de carga espacial, à temperatura ambiente. No diodo Zener acontece a mesma coisa. A diferença é que, no diodo convencional, ao atingir uma determinada tensão inversa, a corrente inversa aumenta bruscamente (efeito de avalanche) e a dissipação térmica acaba por destruir o dispositivo, não sendo possível inverter o processo. No diodo Zener, por outro lado, ao atingir uma tensão chamada de Zener (geralmente bem menor que a tensão de ruptura de um\ndiodo comum), o dispositivo passa a permitir a passagem de corrente bem maiores que a de saturação inversa, mantendo constante a tensão entre os seus terminais. Cada diodo Zener possui uma tensão de Zener específica como, por exemplo, 5,1 V, 6,3 V, 9,1, 12v e 24v. Quanto ao valor da corrente máxima admissível, existem vários tipos de [diodo]. O valor indicado é o da potência. Por exemplo, existem diodos Zener de 400 mW, 1W além de outros valores. O valor da corrente máxima admissível depende desta potência e da tensão de Zener. É por isso que o diodo Zener se encontra normalmente associado com uma resistência em série, destinada precisamente a limitar a corrente a um valor admissível.\n5.3 DIODO SCHOTTKY Diodo Schottky é um tipo de diodo que utiliza o efeito Schottky na semicondução. Seu nome é uma homenagem ao físico alemão Walter Schottky. Um diodo Schottky é formado colocando-se um filme metálico em contato direto com um semicondutor, como indicado na figura abaixo. O metal é usualmente depositado sobre um material tipo N, por causa da maior mobilidade dos portadores neste tipo de material. A parte metálica será o anodo e o semicondutor, o catodo. Numa deposição de Al (3 elétrons na última camada), os elétrons do semicondutor tipo N migrarão para o metal, criando uma região de transição na junção. Note-se que apenas elétrons (portadores majoritários em ambos materiais) estão em trânsito. O seu chaveamento é muito mais rápido do que o dos diodos bipolares, uma vez que não existe carga espacial armazenada no material tipo N, sendo necessário apenas refazer a barreira de potencial (tipicamente de 0,3V). A região N tem uma dopagem relativamente alta, a fim de reduzir as perda de condução, com isso, a máxima tensão suportável por estes diodos é de cerca de 100V. A aplicação deste tipo de diodos ocorre principalmente em fontes de baixa tensão, nas quais as quedas sobre os retificadores são significativas.\nbrilha na junção. Também pode ser usado sem a "janela" para detectar raios ultravioleta ou raios-x. Essa resistência é reduzida quando a luz. Com exceção de uma janela sobre a junção. em uma apropriada freqüência. obteremos uma corrente quase constante. Diodos geralmente possuem uma altíssima resistência quando a polaridade é revertida. Este dispositivo é formado de uma junção p-n recoberta por um plástico transparente. e é a base das células de captação de energia solar . Fotodiodos possuem uma "janela" ou uma conexão de fibra ótica. É uma junção PN designada para responder a uma entrada ótica. Este efeito é aproveitado no fotodiodo semicondutor.4 FOTODÍODO Um fotodiodo é um componente eletrônico e um tipo de fotodetector. Se aplicarmos tensões reversas. Na polarização direta. além de poucos décimos de volt. Fotodiodos podem ser usados tanto na polarização reversa quanto na polarização direta. O dispositivo completo é extremamente pequeno e suas dimensões são milimétricas. e baratos. Isso é conhecido como o efeito fotoelétrico. 5. responsável por deixar a luz passar e incidir na parte sensível do dispositivo. fotodiodos.aliás. Se iluminarmos uma junção p-n reversamente polarizada. como mostra a figura ao lado. levando-a a ir para o sentido frontal. as demais partes são pintadas de preto ou encapsuladas em um invólucro metálico. A corrente que obtemos colocando o dispositivo no escuro corresponde à corrente de saturação reversa devida à geração térmica dos .653 FIGURA 6 – Diodo Schottky. a corrente varia quase linearmente com o fluxo luminoso. a luz que incide sobre o fotodiodo faz a corrente transcorrer através do dispositivo. uma célula de captação de energia solar é apenas um monte de grandes.\nem que podemos controlar a capacitância variando a tensão inversa aplicada: menor tensão terá maior capacitância. as partes do material semicondutor onde a corrente pode atuar. leitura da trilha sonora de um filme. FIGURA 7 – Fotodiodo. O fotodiodo p-n é particularmente a versão melhorada n-p-n e encontram muitas aplicações na leitura de altas velocidades das perfuradoras de cartões e fitas de computadores.654 portadores minoritários. Na figura ao lado temos o símbolo e o aspecto de um diodo deste tipo. O interessante é que se variando a tensão neste componente. Esta propriedade. O diodo se comporta então como um capacitor. os portadores de carga que se recombinam na junção podem aproximar-se ou afastarse mudando assim a capacitância do componente. quando o diodo não conduz. etc. são diodos de silício que aproveitam uma propriedade importante das junções quando polarizadas no sentido inverso e o componente não conduz a corrente. Se um feixe de luz incide sobre a superfície. . O que ocorre é que. chaves operadas por luz. sistema de detecção de luz. linhas de produção contendo objetos que interrompam um fluxo luminoso.5 VARICAP Os diodos de capacitância variável. novos pares elétron-lacuna serão gerados. sendo polarizado no sentido inverso. funcionam como as placas de um capacitor e a junção como um dielétrico. 5. vasistores ou varicaps como também são chamados. faz com que o diodo varicap seja usadoem lugar dos capacitores variáveis no circuito de sintonia de muitos tipos de aparelhos.\n6. Com isto não necessita de luz de fundo ou luz lateral. diferentemente do que ocorre com LCDs que não conseguem obstruir completamente a luz de fundo e ainda neste caso não há consumo de energia para a modulação de luz de fundo. 5. A idéia é usar diodos orgânicos. dois fatores que tornam a tecnologia muito interessante para uso em computadores de mão e laptops. Outra importante característica é que por emitir luz própria cada OLED quando não polarizado torna-se obscuro obtendo-se assim o "preto real". (backlight ou sidelight) e ocupa menos espaço. compostos por moléculas de carbono que emitem luz ao receberem uma carga elétrica. A vantagem é que ao contrário dos diodos tradicionais. . essas moléculas podem ser diretamente aplicadas sobre a superfície da tela. Acrescentados os filamentos metálicos que conduzem os impulsos elétricos a cada célula. A vantagem é que ao contrário dos diodos tradicionais. Acrescentados os filamentos metálicos que conduzem os impulsos elétricos a cada célula. Uma das principais características da tela orgânica é que ela possui luz própria. A idéia é usar diodos orgânicos. usando um método de impressão. usando um método de impressão. compostos por moléculas de carbono que emitem luz ao receberem uma carga elétrica. está pronta uma tela a um custo extremamente baixo. leves e baratas que as atuais telas de LCD. essas moléculas podem ser diretamente aplicadas sobre a superfície da tela.655 FIGURA 8 – Varicap ou varistor. OLED Organic Light-Emitting Diode ou diodo orgânico emissor de luz é uma tecnologia criada pela Kodak em 1980 e que promete telas planas muito mais finas. está pronta uma tela a um custo extremamente baixo.\nUma desvantagem em utilizar essa tecnologia e sua facilidade em decomporse em locais de alta umidade. 5. suportam melhor o calor e o frio. podem ser visualizadas de diversos ângulos (180º). Na figura a seguir. Alguns fabricantes preferem chamar a tecnologia OEL de OLED (Organic Light-Emitting Diode). Tendo que ser hermeticamente encapsulados para que fatores externos não afetem o aparelho. Recebeu o nome do físico Leo Esaki. podemos observar a estrutura de um OLED. têm contraste muito melhor (de 1000:1 contra 100:1 das telas LCD no escuro).7 DIODO TÚNEL O diodo túnel ou diodo Esaki é um tipo de diodo semicondutor extremamente rápido. que em 1973 recebeu o Prêmio Nobel em Física pela descoberta do efeito túnel utilizado neste tipo de diodo semicondutor. que opera na casa dos GHz.656 Além destas vantagens as telas OLED possuem baixos tempos de resposta (uma das principais desvantagens do LCD). FIGURA 9 – OLED. além de ser produzidas de forma mais simplificada e usando menos materiais do que os LCDs. através da utilização dos efeitos da mecânica quântica. .\nele só funciona como diodo túnel quando polarizado reversamente. através do qual se efetua o "disparo" do dispositivo. Composto. . não vamos permitir que a tensão aplicada no anodo a ultrapasse o SCR breakover de tensão. o dispositivo irá se transformar totalmente a imediatamente. Para formar-lo. Esta ligação é conhecida como o gate. geralmente. e aplicarmos uma tensão positiva para o anodo. se nada acontecer.Retificador Controlado de Silício) é um componente eletrônico semicondutor de quatro camadas. ou SCR. Isto está em harmonia com a base do diodo. se agora aplicarmos uma pequena tensão positiva para o gate de modo a levar em frente o viés catódicos junção. Se aterrarmos tanto o cátodo e o gate. A construção de quatro camada demonstrado que o direito é conhecido como um Silicon Controlled Rectifier. ou seja. temos que adicionar uma ligação tipo-p região próxima ao cátodo. somente quando temse uma tensão muito próxima de zero (chamada de avalanche. quando polarizado diretamente ele funciona como qualquer outro diodo. e o terceiro terminal constitui um gate (porta). porém.8 SCR SCR (do inglês Silicon Controled Rectifier . 5. Novamente. A sua área de funcionalmente é somente quando a tensão é "considerada" negativa. Assim. não irá atuar fluxo através deste dispositivo. isto é. por três terminais. uma conseqüência do comportamento da base diodo. o SCR continuará a ser desligado indefinidamente. Neste caso. dois dos quais formam um diodo bipolar (um anodo e o outro catodo). A diferença é que nós podemos controlar rigorosamente o tempo e tensão aplicada no gate se for. do diodo zener). No entanto.657 Ele funciona somente na área de resistência negativa.\ngeralmente Silício (Si) e (atualmente menos comum) Germânio (Ge). ao semicondutor para aumentar o número de portadores de carga livres (neste caso positivas. adicionando-se um certo tipo de composto. isto é o que se conhece com pares elétron-lacuna e sua criação se deve à temperatura segundo as leis da termodinâmica.1 SILÍCIO PURO OU INTRÍNSECO Os cristais de Silício são formados a nível atômico por uma estrutura cristalina baseada em ligações covalentes que se produzem graças aos 4 elétrons de valência do átomo de Silício.2 SILÍCIO EXTRÍNSECO TIPO "P" Um semicondutor tipo P é obtido através do processo de dopagem. Estes dois tipos de cristais são obtidos ao se dopar cristais de metal puro intencionalmente com impurezas. 6. 6. É formada pela junção metalúrgica de dois cristais.658 FIGURA 10 – SRC. Em um semicondutor puro (intrínseco). de natureza P e N. segundo sua composição a nível atômico. normalmente algum outro metal ou composto químico. 6. com 3 elétrons na camada de valência. isto é. . à temperatura constante. principalmente diodos e transistores. JUNÇÃO PN Denomina-se junção P-N à estrutura fundamental dos componentes eletrônicos comumente denominados semicondutores. Cabe também mencionar as lacunas ou buracos que são o lugar deixado pelo elétron quando abandona a camada de valência e torna-se um elétron livre. normalmente trivalente. o número de lacunas é igual ao número de elétrons livres. lacunas).\neste aporta seus elétrons mais fracamente ligados aos átomos do semicondutor. elétrons livres). portanto o semicondutor mantém-se eletricamente neutro. Quando um número suficiente de aceitadores de carga são adicionados. por difusão. isto é. Assim os dopantes criam as lacunas.659 O propósito da dopagem tipo P é criar abundância de lacunas. No caso do silício. normalmente pentavalente. Para ajudar a entender como se produz a dopagem tipo N considere-se o caso do silício (Si). são um exemplo de semicondutor tipo P que se produz de maneira natural.3 SILÍCIO "EXTRÍNSECO" TIPO "N" Um Semicondutor tipo N é obtido através do processo de dopagem em que se adiciona um composto. o número de elétrons no material supera amplamente o número de lacunas. com 5 elétrons na camada de valência. Os átomos do silício têm uma valência atômica de quatro. Por esta razão uma lacuna comporta-se como uma carga positiva. uma impureza trivalente deixa uma ligação covalente incompleta. um dos átomos vizinhos ceda-lhe um elétron completando assim suas quatro ligações. portanto forma-se uma ligação covalente com cada um dos átomos de silício adjacentes. tais como os do grupo VA da tabela periódica (ex: fósforo (P). as lacunas são os portadores majoritários. que contém impurezas de boro (B). Se um átomo com cinco elétrons de valência. Quando o material dopante é adicionado. Este elétron extra dá como resultado a formação de elétrons livres. Os diamantes azuis (tipo IIb). arsênico (As) ou antimônio (Sb)). enquanto os elétron são os portadores minoritários nos materiais tipo P. se incorpora à rede cristalina no lugar de um átomo de silício. ao semicondutor para aumentar o número de portadores de carga livres (neste caso negativos. neste caso os elétrons são portadores majoritários e as lacunas portadores . Assim. as lacunas superam amplamente a excitação térmica dos elétrons. O propósito da dopagem tipo N é o de produzir abundância de elétrons livres no material. um próton do átomo situado na posição da lacuna se vê "exposto" e logo se vê equilibrado por um elétron. 6. Este tipo de agente dopante é também conhecido como material doador já que cede um de seus elétrons ao semicondutor. Cada lacuna está associada com um íon próximo carregado negativamente. fazendo que. Entretanto quando cada lacuna se move pela rede. então este átomo terá quatro ligações covalentes e um elétron não ligado.\nPelo fato de que os átomos com cinco elétrons de valência têm um elétron extra para "dar" eles são chamados átomos doadores. Este campo elétrico é equivalente a dizer que aparece uma diferença de tensão entre as zonas P e N. 6. isto é equivalente a dizer que empurra as lacunas para a junção P-N. temos que conectar o pólo positivo da bateria ao anodo (zona P) do diodo e o pólo negativo ao catodo (zona N).3 V se os cristais são de germânio. os elétron livres do cristal N. Ao se estabelecer estas correntes aparecem cargas fixas em uma zona em ambos os lados da junção. as quais previamente foram deslocadas para a junção P-N. a zona de carga espacial vai aumentando sua largura aprofundando-se nos cristais em ambos os lados da junção. Note-se que cada elétron livre no semicondutor nunca está distante de um íon dopante positivo imóvel. de maneira que estes elétrons se dirigem à junção P-N. que se oporá à corrente de elétrons e terminará por detê-los. e o material dopado tipo N geralmente tem uma carga elétrica líquida final igual a zero.7 V no caso do silício e 0. A acumulação de íons positivos na zona N e de íons negativos na zona P. adquirem a energia suficiente para saltar até as lacunas do cristal P. • • . O pólo positivo da bateria atrai os elétrons de valência do cristal P. etc. Nestas condições podemos observar que: • O pólo negativo da bateria repele os elétrons livres do cristal N. Ao unir ambos os cristais. manifesta-se uma difusão de elétrons do cristal N ao P (Je).3 POLARIZAÇÃO DIRETA DA JUNÇÃO P-N Para que um diodo esteja polarizado diretamente. A medida que progride o processo de difusão. cria um campo elétrico (E) que atuará sobre os elétrons livres da zona N com uma determinada força de deslocamento. Esta diferença de potencial (V0) é de 0. zona que recebe diferentes denominações como barreira interna de potencial.660 minoritários. Quando a diferença de potencial entre os bornes da bateria é maior que a diferença de potencial na zona de carga espacial P. de esgotamento ou empobrecimento. de esvaziamento. zona de carga espacial.\no que faz aumentar a zona de carga espacial. • O pólo positivo da bateria atrai os elétrons livres da zona N. • O pólo negativo da bateria cede elétrons livres aos átomos trivalentes da zona P. não obstante. Neste caso. cai em uma das muitas lacunas da zona P convertendo-se em elétron de valência. ver semicondutor e átomo) e uma carga elétrica líquida de +1. A medida que os elétrons livres abandonam a zona N. e a tensão nesta zona até que se alcança o valor da tensão da bateria. e uma vez às ligações forem formadas covalentes com os átomos de silício.4 POLARIZAÇÃO INVERSA DA JUNÇÃO P-N Neste caso o pólo negativo da bateria é conectado à zona P e o pólo positivo à zona N. adquirem estabilidade (8 elétrons na camada de valência. através do qual introduz-se no fio condutor e chega à bateria. devido ao efeito da temperatura formar-se-ão pares elétron-lacuna em ambos os lados da . caem dentro destas lacunas com o que os átomos trivalentes adquirem estabilidade (8 elétrons em seu orbital de valência) e uma carga elétrica líquida de -1. a bateria diminui a barreira de potencial da zona de carga espacial (cedendo elétrons livres à zona N e atraindo elétrons de valência da zona P). Acontece que quando estes elétrons livres cedidos pela bateria entram na zona P. os quais saem do cristal N e se introduzem no condutor no qual se deslocam até chegar à bateria. • Este processo se repete e de novo até que a zona de carga espacial adquire o mesmo potencial elétrico da bateria. o diodo não deveria conduzir a corrente. têm somente 7 elétrons de valência. Uma vez que isto ocorre o elétron é atraído pelo polo positivo da bateria e se desloca de átomo em átomo até chegar ao final do cristal P. ao verem-se desprendidos de seu elétron no orbital de condução. convertendo-se assim em íons negativos. sendo o elétron que falta denominado lacuna. os átomos pentavalentes que antes eram neutros. o diodo polarizado diretamente conduz a eletricidade.661 • Uma vez que um elétron livre da zona N salta à zona P atravessando a zona de carga espacial. permitindo a passagem da corrente de elétrons através da junção. Nesta situação. Recordemos que estes átomos só têm três elétrons de valência. 6. o que os faz converterem-se em íons positivos. isto é.\nP. os átomos de silício não estão rodeados de suficientes átomos para realizar as quatro ligações covalentes necessárias para obter estabilidade. Como exemplo. a corrente superficial de fugas é desprezível. WIKIPEDIA. tenham lacunas em seus orbitais de valência e por isto os elétrons circulam sem dificuldade através deles. já que na superfície. A ENCICLOPEDIA LIVRE. 1987. São Paulo: Editora McGraw-Hill. 6a Edição. “Dispositivos Eletrônicos e Teoria de Circuitos”.org/wiki/Semicondutor Acesso em: 25 junho 2008 em: . 7. A. e LEACH. Disponível http://pt. e NASHEKSKI. 1. como o próprio nome indica. 8. tanto da zona N como da P. D. Além disso.wikipedia.662 junção produzindo-se uma pequena corrente (da ordem de 1 A) denominada corrente inversa de saturação. L. MALVINO. 1999. REFERÊCIAS BOYLESTAD. Não obstante. assim como a corrente inversa de saturação. podemos destacar o Oled. Este faz com que os átomos da superfície do diodo. conduz uma pequena corrente pela superfície do diodo. “Eletrônica Digital . Editora Prentice-Hall do Brasil. que foi desenvolvido após muitos estudos de materiais. existe também uma corrente denominada corrente superficial de fugas a qual. R. P. pois através dela que novos equipamentos são criados e melhorados. Vol.Princípios e Aplicações”. CONCLUSÃO Ao termino deste trabalho podemos concluir que o estudo da ciência dos materiais é muito importante.\nDocuments Similar To compendiov6\nMore From Yang Medeiros\nFrom Umlsysml to Simulink\nJoão_Baio_A Importância Da Despesa Em Dispositivos Médicos Nos Sistemas de Saúde_GES_2011\nBasic Principles Ultrasonic Tests Presentation\nAnálisis de La Capacidad de Transmisión en Estado Estable de Las Líneas de Transmisión en El Perú Por Los Métodos IEEE, IEC y AWCO\nLiaohe Extra-Heavy Crude Oil Underground Aquathermolytic Treatments Using