PARA APRENDER COMO FUNCIONAM OS SEMICONDUTORES
Este é um artigo de grande importância didática, sendo baseado em publicações anteriores de nossa autoria. Recomendamos este texto até mesmo como apostila para aulas de iniciação tecnológica e em cursos técnicos pelo seu conteúdo e pela maneira simples como o funcionamento dos semicondutores e dos diodos é explicado. Sugerimos que o leitor explore o site onde encontrará artigos do mesmo tipo, dando-lhe a possibilidade de escolha.
A eletrônica de nossos dias é baseada totalmente nas propriedades dos materiais semicondutores. No entanto, nos cursos médios, onde se pretende introduzir o uso da tecnologia, pouco se aprende sobre as propriedades desses materiais e como eles resultam em muitos componentes modernos. Oferecendo um ponto de união entre a velha física, como ela é ensinada nas escolas atualmente, e a moderna tecnologia, alguns experimentos muito simples e mesmo aplicações que usam um componente que custa menos do que R$ 0,50 pode-se aprender muito sobre a física dos semicondutores e o funcionamento de modernos equipamentos eletrônicos. Veja como tudo isso é possível neste artigo.
Toda eletrônica moderna se baseia nas propriedades dos materiais semicondutores.
É a partir destes materiais que podemos construir desde os simples diodos e transistores, até os circuitos integrados que formam os microprocessadores, memórias e os chips poderosos que encontramos numa infinidade de aplicações modernas.
No entanto, quando se fala em ensinar tecnologia nas escolas de nível fundamental e médio, parte-se diretamente para o uso da tecnologia e não para a compreensão de suas bases.
Aprende-se a usar um computador sem se saber o que há dentro deles, e como suas peças mais simples funcionam.
Essa lacuna pode ser eliminada de forma simples com o ensino do que denominamos "eletrônica intermediárias".
Usando componentes comuns, de baixo custo, do tipo que chamamos de "discretos" ou de "baixa escala de integração" pode-se realizar experimentos simples que passam ao estudante uma verdadeira compreensão da eletrônica usada nos equipamentos de alta tecnologia.
Para demonstrar isso vamos partir justamente das bases.
Usando o mais simples dos componentes semicondutores podemos aprender muito sobre seu funcionamento, a estrutura dos materiais e fazer uma ligação com a moderna tecnologia.
Para não nos limitarmos a uma simples "aula" teórica, vamos fazer isso com experimentos e aplicações, justamente do tipo que pode enriquecer aulas do ensino fundamental e médio, ou mesmo ser usada em projetos de mecatrônica e robótica.
Os Materiais Semicondutores
De acordo com a física moderna, todas as substâncias podem ser classificadas num dos seguintes grupos, quanto ao seu comportamento elétrico: isolantes, condutores e semicondutores.
O que determina em que grupo é colocada uma determinada substancia é a banda de energia da sua estrutura atômica.
Cada banda de energia pode conter apenas dois elétrons.
Se as bandas de energia de uma substancias 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, conforme ilustra a figura 1.
O caso intermediário ocorre se pequenas aberturas existirem entre as bandas de energia preenchidas e as que têm vagas, o material age como um isolante a baixas temperaturas e se torna um condutor quando a temperatura se eleva.
Este material é um semicondutor.
Existem diversos materiais semicondutores como o silício, germânio, gálio, etc com propriedades adicionais que os tornam ideais para uso em eletrônica.
São elementos que têm quatro elétrons na camada de Valencia cada um.
Devido às ligações de valência, eles formam uma estrutura básica conforme a mostrada na figura 2.
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 semicondutor o trajeto possível para os elétrons depende da temperatura.
À medida que a temperatura se eleva, mais trajetórias são liberadas e elétrons de alta energia podem se mover através delas.
Um cristal de material semicondutor como silício ou germânio é composto de bilhões de átomos unidos numa estrutura similar a que mostramos na figura 2.
Os cristais de materiais semicondutores podem ser formados em condições especiais de laboratório.
Estes cristais são chamados de materiais intrínsecos e não tem muito 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 material e que são de extrema importância para a eletrônica moderna.
Se uma impureza com átomos de 5 elétrons na camada de valência, como o antimônio, 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 parceiro para compartilhar sua posição no cristal.
O resultado é que temos uma sobra de elétrons neste material, conforme mostra a figura 3.
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 irídio, o resultado final será a presença de buracos ou lacunas onde faltam elétrons para preencher a camada de valência.
Materiais deste tipo que podem aceitar elétrons são chamados "aceptores" e formam semicondutoras do tipo P (de positivo), conforme mostra a figura 4.
Junções PN
Quando os cristais estão em crescimento é possível acrescentar numa parte impurezas que os tornam doadores e na outra, substâncias que os torna aceptores.
Assim, num único cristal temos dois tipos diferentes de materiais.
A região que separa estas duas partes, e que não é nem do tipo P e nem do tipo N, é denominada junção e apresenta propriedades elétricas muito importantes para a eletrônica.
A figura 5 mostra o que ocorre.
É interessante observar que a eletrônica de nossos dias se baseia justamente nas propriedades das junções destes materiais sólidos, daí ser denominada "de estado sólido" em contrapartida à eletrônica das válvulas, que se baseava na movimentação de cargas (elétrons no vácuo).
Combinando junções de deferentes materiais e de diferentes formas podemos obter uma grande quantidade de componentes eletrônicos que são a base de todos os dispositivos eletrônicos de alta tecnologia, começando pelo mais simples deles que é o diodo.
O DIODO
O primeiro componente eletrônico, e mais simples, da família dos semicondutoras é o diodo.
Para entender o seu funcionamento vamos analisar o que ocorre numa junção semicondutora 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, forma bandas de valência que não pode se difundir através do cristal, conforme mostra a figura 6.
Isso significa que apenas uma pequena área, uma região de "depleção" 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 depleção se expande para toda a estrutura do material, conforme mostra a figura 7.
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 depleção que desaparece.
Neste momento a barreira que existe neste ponto é rompida e a corrente pode circular através do componente.
A figura 8 mostra o que ocorre.
Nos diodos de germânio este fenômeno começa a ocorrer com aproximadamente 0,2 V e nos diodos de silício com aproximadamente 0,6 V.
O dispositivo formado por uma junção P-N como a descrita é chamado de diodo.
Na prática, os diodos semicondutores são formados por pedaços de materiais semicondutores (N e P) de germânio ou silício (e até mesmo selênio em tipos antigos) em que tenham sido formadas regiões P e regiões N por dopagem.
Este pedaço de material condutor é colocado dentro de um invólucro, conforme mostra a figura 9.
O tamanho dos materiais basicamente determina a intensidade máxima da corrente que eles podem conduzir quando polarizados no sentido direto e a tensão máxima no sentido inverso.
Os diodos funcionam como vias de sentido único para as correntes, ou seja, conduzem a corrente num único sentido.
Símbolos e Tipos
Os diodos são encontrados numa grande variedade de tamanhos e tipos de acordo com a aplicação.
Na figura 10 temos o símbolo adotado para representar o diodo e alguns tipos mais comuns.
Veja que os diodos são componentes polarizados, o que significa que sua posição num circuito deve ser observada.
Assim é comum utilizar algum tipo de indicação para o catodo ou lado do material N, como por exemplo, uma faixa.
Experimentos e Montagens Com Diodos
Diodos podem ser adquiridos em casas de materiais eletrônicos a preços a partir de alguns centavos.
Com sorte diodos de uso geral podem também ser encontrados em placas de aparelhos fora de uso como velos televisores, rádios, computadores, etc.
Na figura 11 temos uma placa onde são identificados alguns diodos.
Para os nossos experimentos recomendamos o uso de diodos do tipo 1N4002.
Equivalentes deste diodo com as siglas 1N4004 e 1N4007 também servem para as montagem e experiências descritas.
Conforme mostra a figura 12 este diodo tem um invólucro com dois terminais, e o lado do catodo (C ou K) é identificado por uma faixa branca.
Com os experimentos realizados as propriedades que estudamos ficarão claras e serão usadas de alguma forma prática.
1. Circuito Para Entender o Funcionamento do Diodo
Material necessário:
1 suporte de 4 pilhas pequenas
1 diodo 1N4002 ou equivalente
1 lâmpada de lanterna de 6 V
1 barra de 2 terminais com parafusos
Diversos:
Fios e solda.
Soldamos no soquete da lâmpada dois pedaços de fio, para facilitar sua ligação no circuito, conforme mostra a figura 13.
Se a soldar se "negar" a pegar no soquete, raspe o local com um estilete, para remover a sujeira e óxido que se forma.
A experiência:
O que fazemos é ligar o diodo em série com uma lâmpada de modo que a corrente tenha de passar através dele para alimentar a lâmpada.
Assim, conforme mostra a figura 14, observaremos que, quando ligamos o diodo de modo que ele seja polarizado no sentido direto, a corrente pode passar com facilidade e a lâmpada acende.
No entanto, se o diodo for invertido a lâmpada não acenderá, pois ele estará polarizado no sentido inverso quando a corrente não passa.
Para pesquisar e responder:
* Se tirarmos o diodo e ligarmos a lâmpada diretamente na pilha a lâmpada vai acender um pouco mais forte. O que significa isso?
* Quando polarizado no sentido inverso, o diodo pode impedir a passagem da corrente sob qualquer tensão? Por que?
2. Protetor de Aparelhos
Material necessário:
D1 - Diodo 1N4002 ou equivalente
Os aparelhos eletrônicos comuns que usam materiais semicondutores são muito sensíveis ao sentido de circulação da corrente.
Se invertermos as pilhas corremos o risco de que junções que não deveriam conduzir a corrente o façam e com isso o aparelho pode sofrer danos.
Uma forma interessante de proteger um aparelho contra inversões acidentais das pilhas ou bateria, é usando um diodo, conforme mostrado na figura 15.
Se as pilhas ou baterias forem ligadas corretamente, a corrente passa e o aparelho funciona normalmente.
Se for invertida, o diodo não deixa a corrente passar e nada acontece com o aparelho sensível.
Para pesquisar e responder:
* O diodo causa uma pequena "perda" na tensão aplicada ao circuito, da ordem de 0,6 V. Você pode explicar porque?
3. Redutor de Tensão
Material necessário:
D1 a Dn - diodos 1N4002 - quantidade conforme a redução de tensão desejada
Quando um diodo de silício é polarizado no sentido direto, uma pequena queda de tensão ocorre na sua junção, da ordem de 0,6 V, conforme mostra a figura 16.
O interessante do diodo é que, diferentemente de um resistor em que a queda de tensão depende da corrente, nele a queda de tensão é constante, independente da intensidade da corrente.
Podemos usar esta propriedade para reduzir a tensão num circuito usando diodos.
Com 5 diodos, podemos reduzir a tensão de 6 V de uma bateria para 3 V, conforme mostra a figura 17.
Na figura 18 mostramos como fazer um redutor de brilho para uma pequena lâmpada de 6 V.
Com a chave aberta a corrente passa pelos diodos e a tensão aplicada à lâmpada é menor. Ela acende com menor brilho.
Com a chave fechada os diodos são colocados em curto e a tensão aplicada à lâmpada é a total. Ela acende com todo o brilho.
Para pesquisar e responder:
* Por que os diodos aquecem levemente quando em operação?
* Os resistores são bipolos lineares. Podemos considerar um diodo como tal?
4. Controle Inteligente para Lâmpadas e Motores
Material necessário:
S1 - Chave de 2 pólos x 2 posições
s2 - Interruptor de pressão NA (normalmente aberto)
D1, D2 - diodos 1N4002 ou equivalentes
M1, m2 - Motores ou lâmpadas de 6 V
B1 - 4 pilhas pequenas - 6 V
Um problema interessante para um projeto de robótica simples é o seguinte:
Como controlar dois motores ao mesmo tempo, usando apenas dois fios de ligação entre a caixa de controle e os motores, conforme mostra a figura 19.
Usando diodos, temos uma solução simples para este problema.
Esta solução é dada pelo circuito da figura 20.
Neste circuito S2 é o interruptor de acionamento de um ou de outro motor.
Quando a chave S1 está na posição A o sentido da corrente é tal que apenas D1 é polarizado no sentido direto.
Nestas condições, apenas o motor M1 funciona ou se usarmos uma lâmpada, apenas ela acende.
Quando a chave S1 está na posição B, a corrente flui no sentido oposto e apenas D2 é polarizado no sentido direto.
Nestas condições, apenas o motor m2 funciona ou se usarmos uma lâmpada ela é que acende.
Num projeto de controle remoto para um pequeno robô, usando um par de fios, podemos proceder como mostra a figura 21.
Acionando o motor M1 o robô vai para a esquerda enquanto que acionando m2 o motor vai para direita.
Atuando rapidamente na chave S1 de modo que ela troque constantemente as posições A e B, conseguimos fazer o robô ir para frente.
Para pesquisar e responder:
* Montar um robô com controle remoto por dois fios
* Expandir o circuito para usar três ou quatro fios e fazer o robô também ir para frente e para trás.
* A corrente que alimenta este circuito é contínua. O que aconteceria se usássemos corrente alternada.
5. Qualquer Polaridade - A Ponte de Graetz
Material:
D1 a D4 - diodos 1N4002 ou equivalentes
M1 - Motor de corrente contínua de 6 V
B1 - 4 pilhas pequenas
Diversos: suporte de pilhas, fios, solda, etc.
Uma configuração de extrema importância para a eletrônica e que faz uso de diodos é a ponte de Graetz ou ponte retificadores.
Nesta ponte, usamos 4 diodos ligados de tal forma, que independentemente da polaridade da tensão aplicada na entrada, a corrente que flui na carga (motor ou lâmpada tem sempre o mesmo sentido).
Na figura 22 mostramos como os diodos são ligados nesta ponte.
Use diodos 1N4002 para fazer uma ponte destas que possa ser usada com pequenos motores.
O leitor verá que independentemente do modo como as pilhas são ligadas na entrada, a corrente circulará sempre no mesmo sentido no motor, ou seja, ele girará sempre no mesmo sentido.
Uma aplicação "robótica" para esta ponte é mostrada na figura 23 em que controlamos dois motores por uma mesma chave.
O motor M1, ligado diretamente ao circuito de controle reversível, inverte o sentido de rotação quando acionamos a chave S1.
No entanto, o motor M2, qualquer que seja o sentido de circulação da corrente ou a posição da chave S1 gira sempre no mesmo sentido.
Apesar dos motores terem comportamentos diferentes, o circuito de controle é comum e usa dois fios apenas.
Trata-se de uma solução interessante para um projeto de mecatrônica que use dois motores mas que só um deva ter o sentido de rotação invertido por um comando externo.
Para pesquisar e responder:
* O que aconteceria se aplicássemos uma tensão alternada na entrada de uma ponte de Graetz?
* Onde são usadas as pontes de Graetz?
6. Circuito de "Reforço" de Potência
Material:
D1, D2 - Diodos 1N4002
B1 - 6 V - 4 pilhas pequenas
B2 - 3 V - duas pilhas pequenas
M1 - Motor de 6 V
S1 - Interruptor de pressão NA (normalmente aberto)
s2 - Interruptor simples
Diversos:
Fios, solda, etc.
Eis uma outra idéia para um experimento ou aplicação prática envolvendo diodos.
No circuito da figura 24 temos uma fonte formada por 4 pilhas que alimenta um motor de 6 V.
No entanto, em determinamos momentos, precisamos de potência extra para o motor, o que pode ser feito com um breve aumento da tensão que aplicamos a ele, por exemplo, 3 V a mais de duas pilhas adicionais.
Não devemos manter o motor permanentemente alimentado com esta tensão extra, pois ele pode aquecer demais.
A potência extra pode ser necessária, por exemplo, para tirar um pequeno robô do repouso quando ele precisa vencer o atrito, ou mesmo para vencer um obstáculo inesperado.
Isso é feito com o sistema de diodos e o interruptor de pressão que mostramos.
Quando S1 está aberto, a corrente fornecida ao motor e a suprida por B1 de 6 V.
Nestas condições, ele roda em velocidade normal.
Quando apertamos S1 por um momento, B1 e B2 ficam ligadas em série e a tensão aplicada ao motor passa a ser de 9 V.
Mas, para quê os diodos?
D1 impede que a corrente "retorne" colocando em curto a bateria B2.
7. Circuito de Tempo/Inércia
Material:
D1 - 1N4002 ou equivalente - diodo
S1 - Interruptor de pressão NA (normalmente aberto)
C1 - Capacitor de 1 000 µF a 4 7000 µF x 12 V
B1 - 4 pilhas pequenas - 6 V
M1 - Motor de 6 V pequeno
Outra aplicação que envolve o uso de pequenos motores e diodos é a mostrada na figura 25.
Neste circuito quando acionamos o motor, parte da energia suprida pela alimentação serve para carregar o capacitor C1 de valor muito alto.
Quando S1 é solto, a energia armazenada no capacitor só pode ser entregue ao capacitor, pois o diodo não deixa que ela volta aos outros elementos alimentados pelo mesmo circuito.
Com isso, quando S1 é solto, o motor não pára imediatamente.
Durante o período de descarga do capacitor o motor roda por mais alguns segundos freando de maneira suave.
O tempo de parada ou inércia será tanto maior quanto maior for o valor do capacitor usado.
Para pequenos motores de corrente contínua capacitores de 1 000 µF a 4 700 µF podem ser usados.
8. Sonorizador Para Motores
Material:
D1, D2 - Diodos 1N4002 ou equivalentes
FTE - Alto-falante pequeno de 8 ? (5 a 10 cm)
M1 - Motor de corrente contínua de 6 V
B1 - 4 pilhas pequenas
Diversos:
Ponte de terminais, suporte de pilhas, etc.
Dois diodos em série, conforme mostra a figura 26, desvia uma pequena parte da energia deste circuito para alimentar um pequeno alto-falante.
A corrente que passa pelo alto-falante é formada por pulsos devido ao sistema de escovas do motor.
Assim, o ruído da comutação aparece no alto-falante, dando uma idéia do funcionamento do motor.
Podemos usar este circuito como efeito sonoro para aparelhos que façam uso de pequenos motores de corrente contínua.
9. Memória com Diodos
Material:
Diodos 1N4002 na quantidade necessária
B1 - 6 V - 4 pilhas pequenas
L1 a L4 - lâmpadas comuns de 6 V (lanterna)
Diversos:
Fios, solda, cartão, etc.
Os diodos semicondutores podem servir para demonstrar o princípio de funcionamento das memórias de computadores.
A idéia é simples de ser entendida:
Podemos usar um diodo para representar um bit 1 e a ausência de um diodo para representar um bit 0.
O que fazemos então é uma matriz de diodos, conforme mostra a figura 27, a qual vai representar uma memória de 4 linhas de 4 bits.
A "programação" é feita manualmente soldando os diodos de modo que eles representem o dado binário em cada linha.
Para ler os dados gravados simplesmente selecionamos a linha em que eles estão, alimentando-a com uma tensão, conforme mostra a figura 28.
Aparece então nas colunas correspondentes a informação digital gravada na forma de uma tensão nos locais em que temos o bit 1e sem tensão onde temos o bit 0.
Uma aplicação interessante num projeto escolar de demonstração está na explicação de como funciona um cartão digital em que exista uma senha gravada.
Inserindo este cartão com a senha, o circuito com a lâmpada só será acionado se esta senha (dada pela disposição dos diodos) coincidir.
Na figura 29 mostramos como isso pode ser feito de forma simples.
Para pesquisar e responder:
* Como funcionam os cartões de banco?
* Como é feita a numeração binária?
* Analisar o funcionamento de uma memória de computador explicando o que são endereços e dados.
Diodos Especiais
O diodo que analisamos é o básico ou diodo retificador ou de uso geral.
No entanto, existem diodos especiais que apresentam propriedades adicionais, além de conduzir a corrente num único sentido, e que podem ser usados em aplicações eletrônica interessantes.
Podemos citar os LEDs que são diodos que emitem luz (acendem) quando percorridos por uma corrente.
Existem ainda os fotodiodos que deixam a corrente passar quando são iluminados e que por isso podem ser usados como sensores.
Também existem diodos que podem regular tensões e até mesmo gerar sinais de freqüências muito altas como os diodos zener e os diodos tunnel.
Como Testar um Diodo
Um diodo pode ser testado com um multímetro comum numa escala intermediária de resistências (? x 100 ou ? x 1k).
Quando polarizamos o diodo num sentido com as pontas de prova ele conduz e o instrumento indica uma baixa resistência (entre 100 e 5000 ?).
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 ?).
Na figura 30 mostramos como isso pode ser feito usando um multímetro analógico comum.
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 ? no sentido inverso indicam um diodo com fugas.
Obs.: a resistência medida no sentido direto não é a resistência que o diodo vai apresentar quando em funcionamento. Quando usado num circuito, dada a maior tensão do que a usada na prova, sua resistência é bem menor.
