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Diodos Semicondutores Estrutura atômica Os materiais semicondutores mais comuns são o silício (Si) e o Germânio (Ge), que em estado puro apresentam-se na forma de um cristal, significando que seus átomos acham-se dispostos uniformemente em uma configuração rígida. Esses materiais são tetravalentes, ou seja, possuem 4 elétrons na órbita de valência, conforme a figura a seguir. Semicondutores Como a estabilidade é atingida com oito elétrons na última órbita, cada átomo desses materiais faz 4 ligações covalentes com quatro átomos vizinhos, tornando-se estáveis e dando origem a estrutura cristalizada, conforme figura a seguir. Semicondutores Da forma como se apresenta esse semicondutor, não há corrente, pois os elétrons acham-se presos às ligações de valência, ou seja, não há elétrons livres para a condução. Para que haja corrente, é necessário romper as ligações covalentes mediante o fornecimento de energia suficiente para isso, nas formas de luz, calor, etc. Semicondutores Geração de Pares Elétron-Lacuna Se houver o rompimento de uma ligação covalente, ocorre a liberação de um elétron e o surgimento de um espaço vazio onde ele se encontrava. A esse vazio damos o nome de lacuna. Portanto, o rompimento da ligação covalente gera um par elétron-lacuna. Semicondutores A lacuna comporta-se como uma carga positiva, pois pode se mover de um lado a outro do cristal, sempre no sentido contrário ao movimento do elétron. A figura mostra que quem realmente tem mobilidade são os elétrons livres. Ao se deslocarem em direção ao potencial negativo da fonte, eles ocupam sucessivas lacunas. Com isso as lacunas deslocam-se em sentido contrário, isto é, em direção ao potencial positivo da fonte. Processo de Dopagem nos Semicondutores Dopagem é o nome do processo utilizado para constituir os semicondutores P e N por meio da adição ao Si de quantidades bem reduzidas de impurezas. Processo de Dopagem nos Semicondutores Formação do semicondutor P Para a formação do semicondutor P são adicionados ao silício átomos trivalentes. São trivalentes os átomos que possuem três elétrons em suas órbitas de valência, como, por exemplo, o alumínio, o índio, o boro e o gálio. Processo de Dopagem nos Semicondutores Se introduzirmos no silício, que é tetravalente, uma pequena quantidade de material trivalente, os elétrons dessa impureza farão ligações covalentes com os elétrons de silício. A figura a seguir representa a dopagem do silício por átomos de boro. Processo de Dopagem nos Semicondutores No entanto, falta um elétron para completar a ligação em cada átomo trivalente, pois ele colaborou apenas com três elétrons, enquanto o silício possui quatro elétrons. Esta falta de um elétron comporta-se como uma carga positiva, ou seja, uma lacuna. Assim, de um modo artificial, consegue-se gerar lacunas sem gerar elétrons livres. Esse semicondutor com excesso de lacunas é denominado P. Processo de Dopagem nos Semicondutores Formação do semicondutor N Para formação do semicondutor N são adicionados ao silício átomos pentavalentes. São pentavalentes os átomos que possuem cinco elétrons em suas órbitas de valência, como, por exemplo, o fósforo e o arsênio. Processo de Dopagem nos Semicondutores Se introduzirmos no silício, que é tetravalente, uma pequena quantidade de material pentavalente, os elétrons dessa impureza farão ligações covalentes com os elétrons de silício. A figura a seguir representa a dopagem do silício por átomos de fósforo. Processo de Dopagem nos Semicondutores No entanto, há uma sobra de um elétron livre do átomo pentavalente, pois ele não faz ligação covalente com nenhum elétron dos átomos de silício. De um modo artificial, consegue-se gerar elétrons livres sem gerar lacunas. Esse semicondutor com excesso de elétrons livres é denominado N. Junção PN - Diodo A união de um semicondutor P com um N pode ser realizada de modo a constituir um cristal único. Esse cristal é denominado junção PN ou diodo de junção ou anda diodo. No momento em que a junção desses semicondutores é feita, inicia-se um processo de difusão de cargas, isto é, o deslocamento de cargas de regiões de elevada concentração para regiões de baixa concentração. Junção PN - Diodo A figura a seguir mostra como este processo se desenvolve, em que está apresentada uma junção PN não polarizada. O semicondutor N apresenta um grande número de elétrons e o semicondutor P, um grande número de lacunas. Logo, ao formar a junção PN, ocorre a difusão dos elétrons livres do lado N para o P. Junção PN - Diodo No lado N, a ausência de elétrons cria uma região de íons positivos (cátions) próximos a junção. No lado P, quando os elétrons ocupam a lacunas que também encontram- se próximas da junção (recombinação elétron-lacuna), eles criam íons negativos (ânions). Durante esse processo de difusão, conforme os íons vão sendo formados, a barreira de potencial (camada de depleção) cresce. Com isso o fluxo de elétrons de N para P diminui, pois os elétrons provenientes do lado N precisam ultrapassar a barreira negativa do lado P para continuar a recombinação. Desta forma, o processo de difusão cessa quando ocorre um equilíbrio de cargas na junção. Junção PN - Diodo A barreira de potencial produzida na junção no final do processo de difusão corresponde a uma diferença de potencial (ddp) cujo valor depende do material semicondutor e da temperatura ambiente. À temperatura ambiente, a barreira de potencial vale aproximadamente 0,6V para o semicondutor de silício. Junção PN - Diodo No diodo, o terminal do lado P é denominado anodo (A) e o terminal do lado N é denominado catodo (K). Polarização do diodo Diodo reversamente polarizado A aplicação da tensão reversa provoca um alargamento da camada de depleção. Fisicamente, ocorre que a tensão reversa externa atua de forma a impedir a circulação de elétrons através da junção. O diodo polarizado reversamente comporta-se como uma resistência muito elevada. É considerado como um circuito aberto. Polarização do diodo Diodo diretamente polarizado Nesse caso, a tensão externa ajuda os elétrons livres do lado N a vencer a camada de depleção, assim, há facilidade para a circulação de corrente. O diodo polarizado diretamente comporta-se como uma resistência muito baixa. É considerado um curto-circuito. Curva Característica do Diodo Primeiro quadrante: enquanto a tensão sobre o diodo é menor do que a barreira de potencial (0,6V), a corrente é praticamente nula. A partir de 0,6V a corrente cresce muito, como se o diodo estivesse em curto. Terceiro quadrante: a corrente reversa é muito pequena e cresce muito pouco com o aumento de tensão. No entanto, há um valor de tensão denominado tensão de ruptura (VRmax) que faz com que o diodo inicie um processo de condução reversa. Diodo Emissor de Luz - LED LED (Light Emitting Diode): diodo emissor de luz. Trata-se de um dispositivo opto-eletrônco que emitem luz quanto é polarizado diretamente. O princípio de funcionamento baseia-se na irradiação de energia eletromagnética (produz luz) que há quando elétrons do lado N cruzam a junção e se recombinam com lacunas do lado P. Os LEDs utilizam elementos como o gálio (Ga), arsênio (As) e o fósforo (P) em sua fabricação.