Fundamentos de Eletrônica: Átomos, Semicondutores e Diodos

O Átomo e as Ligações Químicas

Estrutura Atômica e Camada de Valência

O átomo é um sistema formado por um núcleo central onde se encontram os nêutrons e os prótons. Este núcleo é carregado positivamente e é envolvido por uma nuvem de elétrons carregados negativamente que neutralizam a carga positiva do núcleo. Os elétrons giram em camadas de órbitas concêntricas ao redor do núcleo, designadas pelas letras K, L, M, N, O, P, Q. A quantidade máxima de elétrons que pode haver em cada camada é: K=2, L=8, M=18, N=32, O=32, P=18, Q=8.
A última camada de elétrons que o átomo apresenta chama-se "camada de valência". O número máximo de elétrons que o átomo pode apresentar na camada de valência é 8, qualquer que seja a última camada, exceto quando o átomo possui apenas a camada K, quando o número máximo de elétrons da camada de valência passa a ser 2. Os átomos sempre procuram atingir esta condição de 8 elétrons (ou 2 elétrons) na última camada, pois esta é a sua condição estável. Para isso, eles doam, recebem ou compartilham os elétrons da camada de valência. Destas transações de elétrons surgem forças de atração capazes de unir os átomos formando as moléculas ou os cristais, são as ligações químicas.

Tipos de Ligações Químicas

Ligações Iônicas

1º) As ligações iônicas caracterizam-se pela perda e ganho de elétrons, ou seja, há a transferência de elétrons de um átomo para outro. As ligações iônicas resultam na formação de cristais.

Ligações Covalentes

2º) Nas ligações covalentes, os átomos ligam-se entre si por meio de um par de elétrons, que participam simultaneamente dos dois átomos. As ligações covalentes resultam na formação de moléculas ou de cristais.

Materiais: Condutores, Isolantes e Semicondutores

Condutores

1º) São elementos que possuem elétrons livres em grandes quantidades. Esses elétrons livres são aqueles fracamente ligados ao núcleo e que, sob a ação de uma diferença de potencial, passam a se locomover no interior do material. Quanto maior for o número de elétrons livres presentes no material, maior será o fluxo de corrente por ele quando submetido a uma diferença de potencial; consequentemente, maior será sua condutividade. Exemplo: ouro, prata, cobre, alumínio, etc.

Isolantes

2º) São elementos que possuem os elétrons fortemente presos em suas ligações e, mesmo quando aquecidos, desprendem uma quantidade muito pequena de elétrons. Como os materiais isolantes possuem uma quantidade muito pequena de elétrons livres, conclui-se que sua condutividade é baixa. Exemplos de materiais isolantes: borracha, mica, porcelana, ar, etc.

Semicondutores

3º) São elementos cuja condutividade situa-se entre a dos condutores e a dos isolantes. Os principais materiais semicondutores utilizados atualmente são o Germânio (Ge) e o Silício (Si), que em estado puro se encontram sob a forma cristalina.

Estrutura do Germânio e do Silício

A estrutura cristalina do Ge e do Si consiste em uma repetição regular em três dimensões de uma célula unitária cuja forma é a de um tetraedro com um átomo em cada vértice. Os átomos de Ge e de Si são tetravalentes, isto é, possuem 4 elétrons na camada de valência. Cada átomo está ligado a um átomo vizinho por meio de uma ligação covalente.

Junção PN e Diodo Semicondutor

Junção PN Inversamente Polarizada

"Polarizar inversamente uma junção PN significa conectar o positivo da fonte no semicondutor tipo N e o negativo da fonte no semicondutor tipo P." Assim, as lacunas no lado P e os elétrons no lado N se deslocam para longe da junção, aumentando ainda mais a barreira de potencial, o que origina uma DDP na junção PN igual à tensão da fonte (VCC).

Junção PN Diretamente Polarizada

Polarizar diretamente uma junção PN significa conectar o terminal positivo da fonte no semicondutor tipo P e o terminal negativo da fonte no semicondutor tipo N.

Diodo Semicondutor

O diodo polarizado reversamente apresenta uma pequena corrente, a qual chamamos "corrente reversa de saturação" (Io), que não varia com a tensão reversa aplicada enquanto esta não atinge a tensão de ruptura (Vz). No instante em que a tensão reversa atinge o valor da tensão de ruptura, a corrente reversa de saturação aumenta rapidamente, o que pode levar à destruição do componente. Portanto, devemos evitar que a tensão reversa aplicada a um diodo atinja o valor da tensão de ruptura. Existem diodos que podem funcionar com tensão reversa igual à tensão de ruptura, são os diodos Zener que serão estudados mais adiante.
Quando polarizamos o diodo no sentido direto, enquanto a tensão não atingir valor suficiente para vencer a barreira de potencial da junção PN, não haverá circulação de corrente através do diodo. Somente quando a tensão atinge o valor da DDP da barreira de potencial é que se inicia a circulação de corrente através do diodo. A esta tensão dá-se o nome de "tensão de limiar" (Vf).

Identificação dos Terminais dos Diodos

Visual

Na maior parte dos diodos há uma marca qualquer, tal como um ponto ou uma faixa no lado do catodo, ou o símbolo do diodo pode vir impresso no corpo deste. Geralmente o invólucro do diodo é preto, e a faixa, ponto, etc. é branco.

Utilizando Multiteste (Ohmímetro)

Conectam-se as ponteiras do multiteste aos terminais do diodo. Com o seletor na posição x 10 ohms, mede-se a resistência do diodo. Se esta tiver valor baixo, algumas dezenas de ohms, então o terminal do diodo conectado ao (COM1) do multiteste é o ânodo e o terminal do diodo conectado ao (+) do multiteste é o catodo, considerando-se que estamos utilizando o multímetro analógico. Se estivermos trabalhando com multímetro digital, será o contrário. Se a indicação do multiteste for a de uma resistência muito elevada (o ponteiro praticamente nem deflexionará), inverta as ponteiras e proceda como foi explicado no parágrafo anterior.

Verificação das Condições do Diodo

Um diodo em bom estado deve apresentar baixa resistência quando polarizado no sentido direto e elevada resistência quando polarizado no sentido reverso. Se o diodo apresentar baixa resistência quando polarizado nos dois sentidos, então está danificado, está em curto. Se apresentar elevada resistência quando polarizado nos dois sentidos, então está danificado, está aberto.

Junção PN

Corrente Forçada e de Difusão

O fluxo de carga ou corrente elétrica, através de um material semicondutor, é normalmente classificado em dois tipos: forçada e de difusão. A corrente forçada se relaciona diretamente ao mecanismo que ocorre no fluxo de carga em um condutor. Quando uma tensão é aplicada nas extremidades do material, os elétrons são naturalmente drenados para a extremidade positiva do material. A corrente de difusão pode ser entendida como o deslocamento de cargas de regiões de elevada concentração para regiões de baixa concentração. É como um gás que se encontra concentrado em um pequeno recipiente; ao ser liberado, ocupará por completo um recipiente maior, partindo, portanto, de uma região de alta concentração (o recipiente menor) para uma região de baixa concentração (recipiente maior). Para haver corrente de difusão, não há necessidade de haver tensão externa aplicada.

Junção PN sem Aplicação de Tensão Externa

Da união de dois materiais semicondutores, um do tipo P e outro do tipo N, resulta uma superfície em contato destes dois materiais, a qual se denomina junção PN. "O material tipo N apresenta um grande número de elétrons livres e o material tipo P apresenta um grande número de lacunas. Logo, quando dispostos a formar uma junção PN, haverá difusão (deslocamento) de lacunas do semicondutor tipo P para o tipo N e de elétrons do semicondutor tipo N para o tipo P."

Semicondutores Tipo N e Tipo P

Semicondutores Tipo N

Se o material dopante possuir cinco elétrons de valência (átomo pentavalente), os átomos de impureza deslocarão alguns dos átomos de silício da rede cristalina. Quatro dos cinco elétrons de valência do dopante ocuparão ligações covalentes e o quinto ficará não ligado, será um elétron livre. Portanto, cada átomo dopante contribui com um elétron livre para o cristal, o que resulta em um semicondutor com grande quantidade de elétrons livres (portadores negativos de carga elétrica), sendo por este motivo chamados de "semicondutores tipo N". As impurezas pentavalentes utilizadas são: antimônio, fósforo e arsênio. Nos elementos tipo N, os elétrons serão denominados portadores majoritários de carga, existindo também nesses elementos os portadores minoritários que são as lacunas geradas principalmente pela energia térmica.

Semicondutores Tipo P

Se o material dopante possuir três elétrons de valência (átomo trivalente), os átomos de impureza deslocarão alguns dos átomos de silício da rede cristalina. Somente três das quatro ligações covalentes podem ser preenchidas, e a ausência de elétron na quarta ligação representa uma lacuna. Portanto, cada átomo dopante trivalente contribui com uma lacuna para o cristal, o que resulta em um semicondutor com grande quantidade de lacunas (portadores positivos de carga elétrica), sendo por este motivo chamados de "semicondutores tipo P". As impurezas trivalentes utilizadas são: boro, gálio ou índio. Nos elementos tipo P, as lacunas serão denominadas portadores majoritários de carga, existindo também nesses elementos os portadores minoritários de carga que são os elétrons gerados termicamente.

Mecanismo de Condução de Elétrons e Lacunas

Considere na Figura 7a que um elétron do primeiro átomo adquiriu energia suficiente para se libertar da ligação covalente na qual estava preso e foi atraído pelo polo positivo da bateria, deixando neste átomo uma ligação covalente incompleta, ou seja, uma lacuna.
A existência de uma lacuna no primeiro átomo permite que um elétron do segundo átomo se desloque de sua ligação covalente para preencher a lacuna do primeiro átomo. Agora a ligação covalente incompleta, ou seja, a lacuna, passou do primeiro para o segundo átomo. O elétron que se deslocou do primeiro para o segundo átomo não é um elétron livre, ou seja, não pode se deslocar livremente dentro do retículo cristalino.
O mesmo ocorre com o elétron do terceiro átomo.
Notamos nesta ilustração que a lacuna caminhou em direção ao polo negativo da bateria, enquanto os elétrons caminharam em direção ao polo positivo.
No material semicondutor temos duas correntes: uma de portadores de carga positiva (lacunas) em direção ao polo negativo da bateria e uma de portadores de carga negativa (elétrons livres) em direção ao polo positivo da bateria.

Dopagem de Semicondutores

Se ao silício ou germânio intrínseco (puro) for adicionada uma pequena quantidade de átomos trivalentes ou pentavalentes (átomos que possuem três ou cinco elétrons na camada de valência), teremos um semicondutor dopado, impuro ou extrínseco.

Formação de Lacunas e Recombinação

Em temperaturas muito baixas (zero graus Kelvin, por exemplo), a estrutura cristalina do Ge e do Si é semelhante à estrutura ideal e o cristal comporta-se como isolante, pois não possui portadores livres de eletricidade (elétrons livres). Porém, em temperatura ambiente, algumas das ligações covalentes são quebradas devido à energia térmica fornecida ao cristal, ocorrendo a liberação do elétron. Chamamos de lacuna a ausência de elétron na ligação covalente. As lacunas representam portadores de carga elétrica positiva. Sem tensão aplicada ao cristal semicondutor, o elétron livre e a lacuna deslocar-se-ão de forma aleatória no retículo cristalino. Se em um dado momento um elétron livre for capturado por uma lacuna, tanto o elétron quanto a lacuna desaparecem. A este processo dá-se o nome de "recombinação". Da mesma forma que precisamos fornecer energia (luminosa, térmica, etc.) para que o elétron se liberte da ligação covalente, quando ocorre a recombinação, o elétron devolve esta energia na forma de calor, no caso do silício ou do germânio, ou na forma de luz, como no caso do fosfeto de arsenieto de gálio (utilizado na fabricação de LEDs = diodos emissores de luz).