Semicondutores - Materiais - Diodos e LEDs
Toda eletrônica moderna se baseia nas propriedades dos materiais semicondutores, como o silício e o germânio principalmente, além de outros. Com esses materiais são feitos os chips (circuitos integrados) e os transistores que são o coração de uma infinidade de equipamentos. É deles que trataremos a partir de agora.
SEMICONDUTORES
De acordo com a física moderna, todas as substâncias podem ser classificadas num dos seguintes grupos, quanto ao seu comportamento elétrico: isolante, condutor e semicondutor. O que determina em que grupo é colocada uma determinada substâcia é a banda de energia da sua disposição atômica. Cada banda de energia pode conter apenas dois elétrons.
Se as bandas de energia de uma susbtâncias estão preenchidas, a substância não pode receber ou doar elétrons e com isso se comporta como um isolante. Se existe um elétron por banda, ou se as bandas não estão suficientemente espaçadas, os elétrons podem se movimentar através do material e com isso ele se comporta como um condutor. Agora, temos o caso intermediário: se pequenas aberturas existirem entre oas bandas de energia preenchidas e as que têm vagas, o material age como um isolante a baixas temperatira e se torna um condutor quando a temperatura se eleva. Este material é um semicondutor.
Existem diversos materiais semicondutores como o silício, germânio, gálio e outros com propriedades adicionais que os tornam ideais para uso em eletrônica. São elementos que têm quatro elétrons na camada de valênia cada um. Por causa das ligações de valência, eles formam uma estrutura básica conforme a mostrada na figura 1.
O cristal é mantido coeso pelo compartilhamento dos elétrons entre os átomos. Num material condutor os elétrons livres podem se mover através da estrutura sob a ação de forças elétricas. Por outro lado, num material semiconductor o trajeto possível para os elétrons depende da temperatura. A medida que a temperatura se eleva trajetos são liberados e elétrons de alta energia podem se mover através deles.
Um cristal de material semicondutor como silício oou germânio é composto de bilhões de átomos unidos numa estrutura similar a que mostramos na figura 1. Os cristais de materiais semicondutores podem crescer em condições especiais de laboratório. Eles são chamados de materiais intrínsecos e não tem uso prático. No entanto, se adicionarmos pequenas quantidades de impurezas a estes materiais, essas impurezas têm a capacidade de penetrar na estrutura e atuar em nível atômico.
Existem dois tipos de impurezas que resultam em dois efeitos diferentes sobre as propriedades elétricas do materia. Se uma impureza com átomos de 5 elétrons na camada de valência como o antimonio, boro ou fósforo for adicionada ao cristal, cada um dos átomos terá um elétron de sobra na camada de valência, o qual não encontrará um perceiro para compartilhar sua posição no cristal. O resultado é que temos uma sobra de elétrons neste material.
As substâncias em que acontece isso são denominadas "doadoras" e elas possuem um excesso de cargas negativas. Estes materiais são chamados semicondutores do tipo N (de negativo).
Se a substância adicionada ao cristal for um elemento com três elétrons na camada de valência, como por exemplo o alumínio, gálio ou iridio, o resultado final será a presença de buracos ou lacunas onde faltam elétrons para prencher a camada de valência. Materiais deste tipo que podem aceitar elétrons são chmados "aceptores" e formam semiconductores do tipo P (de positivo).
Junções
Quando os cristais estão em crescimento é possível acrescentar numa parte impurezas que os tornam doadores e na outra aceptores. Assim, num único cristal temos dois tipos diferentes de materiais. A superfície de separação entre estas duas partes é denominada junção e apresenta propriedades elétricas muito importantes para a eletrônica.
DIODOS
O primeiro componente eletrônico da familia dos semiconductores é o diodo. Para entender o seu funcionamento vamos anlisar o que ocorre numa junção semicondutor como a que descrevemos previamente. Numa junção o excesso de elétrons do material N se difunde através da junção preenchendo as lacunas do material P. Este processo é denominado recombinação e forma bandas de valência que não pode se difundir através do cristal. Isso significa que apenas uma pequena área, uma região de "deplexão" se forma e que é livre de elétrons livres e lacunas.
Se, numa junção semicondutora aplicarmos uma tensão positiva no material N ela tende a drenar elétrons do material N. Ao mesmo tempo, os elétrons do lado negativo da fonte de alimentação, vão encher as lacunas do lado P do material. O resultado é que a camada de deplexão se expande para toda a estrutura do material. Essa situação impede que a corrente circule. Dizemos que o diodo está polarizado no sentido inverso.
Se invertermos a polaridade da tensão aplicada, os elétrons serão forçados da fonte de alimentação para a junção e ao mesmo tempo as lacunas do outro lado também. A força que aparece neste processo comprime a camada de deplexão que desparece. Neste momento a barreira que existe neste ponto é rompida e a corrente pode circular através do componente. Nos dispositivos de germânio este fenômeno ocorre com aproximadamente 0,2 V e nos dispositivos de silício com aproximadamente 0,6 V.
O dispositivo formado por uma junção P-N como a descrita é chamado diodo. A figura 2 mostra o que ocorre nas duas situações.
Os diodos na prática são formados por dois pedaços de materiais semicondutores (N e P) de germânio ou silício colocados dentro de um invólucro.
Símbolos e Tipos
Os diodos são encontrados em diferentes tamanhos e tipos de acordo com a aplicação. Na figura 3 temos o símbolo adotado para representar o diodo e alguns tipos mais comuns.
Os diodos ão componentes polarizados o que significa que sua posição num circuito deve ser observada.
Especificações
a) Tensão inversa - como um diodo representa um circuito aberto quando polarizado no sentido inverso, aparece nas suas extremidades toda a tensão do circuito.
b) Corente direta - é a máxima corrente que o diodo pode conduzir quando polarizado no sentuido direto. Indicada como If nos manuais.
c) Tipo - muitos fabricantes simplesmente indicam os seus diodos por um código de fábrica. Assim, para os tipos americanos é comum que todos os diodos comecem por 1N. Assim temos 1N4002, 1N4148, etc. Para os tipos americanos é comum usar as letras A para diodos de uson geral, B para silício e Y para retificadores.
Onde são encontrados:
Os diodos são usados como retificadores, detectores, funções lógicas e em muitas outras aplicações onde se necesita a circulação da corrente num único sentido. Como detectores, o eletricista vai encontrar pequenos diodos de silício ou germânio em receptores de rádio, controle remoto, telefones, etc.
Como Testar
Um diodo pode ser testado com um multímetro comum numa escala intermediária de resistêencias. Quando polarizamos o diodo num sentido com as pontas de prova ele conduz e o instrumento indica uma baixa resistência (entre 100 e 5000 ohms). Quando invertemos as pontas de prova ele é polarizado no sentido inverso e o instrumento acusa uma alta resistência (entre 500 000 e 10 000 000 ohms). Um diodo com baixa resistência nos dois sentidos se diz em curto e um diodo com alta resistência nos dois sentidos se diz aberto. Resistência entre 50 000 e 200 000 ohms no sentido inverso indicam um diodo com fugas.
DIODOS ZENER
Quando um diodo é polarizado no sentido inverso existe uma tensão limite que podemos aplicar neste componente sem que ele se torne condutor. Acima desta tensão, denominada "de ruptura" o diodo se torna condutor, e para os tipos comuns ocorre sua destruição. Na figura 4 mostramos num gráfico o ponto em que a rutpura ocorre.
Se um diodo for construído de modo a suportar a corrente nesta ruptura ele pode manter a tensão constante entre seus terminais. Assim, diodos zener, são diodos especiais que podem operar polarizados no sentido inverso com uma tensão de ruptura não destrutiva. A ação dos diodos zener pode ser aproveitada em diversas aplicações eletrônicas importantes. Eles funcionam como reguladores de tensão ou de corrente e ainda podem ser empregados para fazer o corte de picos de sinais.
Símbolo e aspecto
Na figura 5 temos o símbolo usado para representar o diodo zener e os aspectos mais comuns deste componente.
Os diodos zener, conforme podemos observar, são componentes polarizados normalmente havendo um anel ou marca para indicar o catodo (k).
Especificações
A maioria dos fabricantes especifica seus diodos zener por códigos que tanto podem levar a nomenclatura 1N como BZX e BZY para os tipos europeus.
Através de manuais é possível saber, a partir do tipo as suas características elétricas.
a) Tensão zener - que é a tensão inversa que faz o diodo conduzir e que ele mantém constante numa ampla faixa de valores de corrente. Os diodos zener comum possuem tensões zener entre 1,5 e mais de 200 V tipicamente.
b) Dissipação - que é a quantidade máxima de calor que o componente pode dissipar e que portanto está associada a máxima corrente que podemos manter através dele. A máxima corrente multiplicada pela tensão zener resulta na potência ou dissipação máxima.
Onde São Encontrados
Os diodos zener são encontrados nos circuitos em que se deseja regular ou estabilizar uma tensão, por exemplo em fontes de alimentação.
Teste
Se bem que possamos testar um diodo zener da mesma forma que um diodo comum, este teste nada revela sobre a tensão zener e portanto se o componente está dentro de suas características. No entanto, quando os diodos zemner apresentam problemas, o mais comum é que entrem em curto apresentando uma baixa resistência nos dois testes com o multímetro.
LEDs
Os Diodos Emissores de Luz que em inglês são chamados de Light Emitting Diodes (abreviadamente LEDs) são diodos especiais que ao serem percorridos por uma corrente emitem luz através de sua junção. Os LEDs comuns são emissores monocromáticos, ou seja, emitem luz de uma única freqüência (única cor) que pode ir da faixa do infravermelho até o ultravioleta.
LEDs de luz branca têm sido obtidos pela associação numa mesma pastilha de três LED que fornecem as cores básicas (vermelho, verde e azul) as quais combinadas resultam na luz branca. Com esses LEDs podemos ter as lâmpadas de LEDs que hoje são utilizadas em iluminação.
Os LEDs são fabricados com base em materiais semicondutores especiais como o Arseneto de Gálio que também pode contér o elemento Índio os quais têm esta propriedade de formar junções emissoras de radiação.
Na figura 6 mostramos as curvas de emissão dos LEDs quando comparadas as curvas de outras fontes, observando-se que estes componentes emitem um estreito feixe de radiação.
As impurezas que estão presentes nos LEDs não só determinam a cor da luz que eles emitem como também a tensão mínima que precisamos aplicar no sentido direto para que a barreira de potencial da junção seja vencida e ele se torne condutor. Os LEDs comuns vermelhos e infravermelhos conduzem com 1,6 V, já os amarelos e laranja com 1,8 V e os LEDs azuis e verdes precisam de pelo menos 2,1 V.
Os LEDs tanto são usados como pequenas lâmpadas em sinalização como também como emissores de radiação infravermelha em controles remotos, em acopladores ópticos transferindo sinais de um ponto a outro de um circuito através da luz e na emissão de luz coerente na versão LASER.
Símbolo e aparência
Na figura 7 mostramos o símbolo do LED e os aspectos mais comuns deste componente.
Os LEDs também podem ser montados de modo a formar um display de 7 segmentos, conforme mostra a figura 8.
Alimentando os LEDs de cada segmento de maneira combinada podemos formar números como ocorre nas calculadoras, relógios e em muitas outras aplicações que podem "acender" com luz v ermelha, laranja, etc. Observamos que, da mesma maneira que os diodos, os LEDs são componentes polarizados.
Especificações
A maioria dos LEDs é especificada por um código do fabricante. No entanto, para usar os LEDs precisamos conhecer as seguintes características destes componentes:
a) Corrente máxima - é a máxima corfrente que podemos deixar o LED conduzir quando em funcionamento sem que ele queime. Este dado é importante pois o LED sempre funciona com um resistor em série que limita a corrente a este valor. Sem este resistor o LED queima. Tipos comuns têm correntes máximas de até 50 mA.
b) Tensão direta - é a tensão mínima que faz o LED conduzir e portanto acender. Esta tensão depende da cor, conforme já explicamos.
c) Comprimento de onda da luz emitida - normalmente a cor do LED é expressa pelo comprimento da onda emitida. Este comprimento de onda pode ser expresso em nanometros (nm) ou em angstrons (Ã). Um Angstron equivale a 100 nanometros.
Onde são encontrados
Na maioria das aplicações eletrônicas os LEDs são usados como indicadores de paineis, em indicadores alfanuméricos de 7 segmentos e como fontes de luz (lEDs brancos). Outras aplicações incluem a emissão de sinais em controles remotos por infravermelhos, barreiras ópticas de alarmes, etc.
Testando
Nunca teste um diodo ligando-o diretamente a uma fonte de corrente contínua. Sem o resistor limitador de corrente ele vai queimar. Para testar, o leitor deve fazer uso do circuito mostrado na figura 9 onde usamos 4 pilhas e um resistor limitador.
Em lugar das 4 pilhas pode ser usada uma fonte de 6 a 9 V. Para 12 V use um resistor de 1 k ohms. Observe a polaridade do LED. Para testar LEDs infravermelhos deve ser usado algum tipo de detector para esta finalidade.
DIODOS ESPECIAIS
As propriedades elétricas das junções PN podem ser usados em diversos outros dispositivos que derivam dos diodos. Estes diodos especiais podem ser encontrados numa infinidade de aparelhos eletrônicos. Os principais são:
a) Foto-diodos - expondo uma junção PN polarizada no sentido inverso à luz, a corrente que é causada pela liberação de cargas a partir dos fotons incidentes depende da intensidade luminosa. Desta forma, diodos em invólucros transparentes podem ser usados como sensíveis sensores de luz, sendo denominados foto-diodos. Os foto-diodos tem uma capacidade de responder à variações muito rápidas da luz.
b) Diodos tunnel - são diodos que possuem uma caracteristica de resistência negativa semelhante a das lâmpada neon, mas que se manifesta com tensões muito mais baixas (da ordem de fração de volt) e podem oscilar em frequências extremamente elevadas, na faixa de UHF e até de micro-ondas. Os diodos tunnel são usados em osciladores de altíssimas frequências.
c) Varicaps ou Varactors - quando polarizamos um diodo no sentido inverso, a distância entre as cargas das regiões PN depende da tensão. Assim, estas regiões se comportam como as placas de um capacitor e a região da junção como um dielétrico cuja espessura pode ser controlada pela tensão aplicada. Para maior tensão o dielétrico é maior e a capacitância menor. Isso significa que diodos especiais com junções amplas podem ser usados como capacitores variáveis controlados pela tensão. Varicaps são encontrados em seletores de canais de televisores e em receptores de diversos tipos.
Na figura 10 mostramos aluns tipos de diodos especiais com seus símbolos e aspectos.
Os diodos especiais normalmentre são indicados por um código de fábrica através do qual podem ser obtidas suas caracteristicas a partir de folhas de dados (data sheet). Dependendo da aplicação devemos estar atento para algumas das especificações que são:
- Para os foto-diodos a resposta espectral, ou seja, o comprimento de onda para os quais são mais sensíveis e sua velocidade de resposta que determina a freqüência máxima dos sinais modulados que eles podem detectar.
- Para os diodos tunnel devemos conhecer a tensão tunnel e a freqüência máxima que eles podem oscilar.
- Para os varicaps precisamos conhecer a faixa de tensões de uso e a capacitância que ele apresenta nesta faixa.
Como testar
Um teste básico consiste em se verificar se o diodo conduz num sentido e bloqueia a corrente no sentido inverso, como qualquer diodo convencional. No entanto, as características espcíficas conforme a função devem ser determinadas a partir de circuitos de prova especiais.
Índice:
Introdução
Parte 1 - As diferenças entre eletricidade e eletrônica
Parte 2 - Circuitos e componentes
Parte 3 - Diagramas, Símbolos e Componentes
Parte 4 - Componentes Passivos – Os Resistores
Parte 5 - Componentes Passivos – Capacitores e Indutores
Parte 6 - Componentes Passivos – Outros componentes indutivos
Parte 7 - Semicondutores – Materiais- Diodos e LEDs
Parte 8 - Transistores Bipolares e assemelhados
Parte 9 - Outros tipos de transistores
Parte 10 - Outros componentes semicondutores – IGBTs e Tiristores
Parte 11 - Outros componentes da família dos tiristores – Displays e válvulas
Parte 12 - Os circuitos integrados
Parte 13 - Circuitos Digitais – Microcontroladores - DSPs – Invólucros
Parte 14 - Diagnóstico e reparação
Parte 15 - Circuitos Práticos - Como funcionam
Parte 16 - Outros dispositivos eletrônicos
