Back to Curso

Robótica para Ciências – Pestalozzi 2021 – Sequoia II

0% Complete
0/94 Steps
  1. Sistema de medidas
    3 Tópicos
  2. Ciências para eletrônica I
    7 Tópicos
  3. Ciências para eletrônica II
    27 Tópicos
  4. Técnicas Digitais I
    13 Tópicos
  5. Técnicas Digitais II
    14 Tópicos
  6. Técnicas Digitais III
    13 Tópicos
  7. Práticas de laboratório
    10 Tópicos

Participants87

  • albertinapurve
  • alextressler40
  • almayounger269
  • andrewfortune
  • anoha
Show more
Aula Progress
0% Complete


Pré requisitos

º Conceito básico da condutividade elétrica e o seu inverso (resistividade elétrica).

º Conceitos básicos sobre temperatura.

Conhecimentos adquiridos

º Fatores que influenciam a condutividade elétrica. 

º Ligações químicas 

Do que se trata ?

ºEstado sólido da matéria.

O que são os cristais ? Por que estudá-los ?

Os cristais são arranjos periódicos de átomos que formam uma rede cristalina, onde seu aspecto espacial mais comum pode ser exemplificado na forma cúbica.

No geral , os componentes estruturais eletrônicos modernos, passam a ser confeccionados por um elemento químico principal e pela adição de impurezas inseridas nesses mesmos cristais, ou seja, outros elementos ou átomos que não o principal. Esta mistura ou adição é importante porque se torna desejável, que características elétricas sejam alteradas, resultando em dispositivos eletrônicos capazes de por exemplo , emitir luz a partir do arranjo estrutural que a combinação desses elementos configurou espacialmente.

Nota se que os cristais semicondutores fazem parte de elementos estruturais da civilização que são indispensáveis, pois envolvem pesquisas nas áreas de química, física e a metalurgia, além de abrir novos campos para descobertas científicas e suas aplicações tecnológicas. 

Diferenças intrigantes entre os materiais condutores e semicondutores

Durante o século XIX, observamos que alguns materiais, diminuiam sua resistência elétrica com o aumento da temperatura, o que não é observado nos materiais típicos como os metais. 

O resultado dessa observação, diferencia e caracteriza os materiais que oferecem efeitos intermediarios, como sendo chamados de semicondutores. 

Outra diferença notada, é que a corrente elétrica nesses novos materiais, se dá aparentemente por meio de cargas elétricas positivas , e não por modelos clássicos da eletrodinâmica. 

Com tais considerações, a investigação dos fenômenos de passagem da corrente elétrica através do material sólido, implica na existência do que chamaremos de cargas móveis, através das quais as correntes elétricas se produzem.

Portadores de carga elétrica : Elétrons e lacunas.

º Considere que os átomos formam ligações fortes com átomos da mesma espécie e com outros tipos de átomos. 

º Os átomos adquirem configuração estável por três maneiras.

1ª Perdendo elétrons.

2º Recebendo elétrons.

3º Compartilhando elétrons.

Na constituição dos cristais sólidos de metal, os elétrons livres ou de valência, formam as ligações químicas por processo de ionização. Ocorre então a ligação iônica dos átomos através do agrupamento de íons com carga positiva, mergulhados numa nuvem de elétrons com carga negativa.

º Esta ligação envolve a atração entre átomos.

Na constituição dos cristais a partir de semi-metais, os elétrons de valência formam uma ligação covalente, ou seja, há um compartilhamento dos elétrons para cada par de átomos. Nesta configuração os elétrons não estão livres como uma nuvem no caso dos metais. 

º Esta ligação, envolve o compartilhamento dos átomos. 

O fornecimento de uma quantidade de energia,  pode liberar um elétron de valência na rede cristalina do semicondutor, tornando a ligação dos átomos vizinhos, incompleta . Essa ligação incompleta produz um espaço vazio em movimento que pode ser considerado como um partícula. Sendo assim, daremos o nome de lacuna para o elétron ausente, e diremos que a mesma é de carga positiva em relação ao elétron.   

*hole : buraco ou lacuna

Cristal puro

Em um semicondutor, o cristal puro intrínseco de Sílicio ou Germânio, é estruturado pelo compartilhamento de quatro elétrons de cada átomo para formar quatro ligações covalentes. Há portanto, um equilibrio entre o número de elétrons e lacunas na rede.

Cristal tipo N

Como mencionado, a confecção dos cristais dependem da adição de impurezas, ou elementos químicos diferentes ao elemento principal para que características elétricas possam ser alteradas. O elemento principal recebe outro tipo de átomo na sua rede cristalina, no caso , o Fósforo, que pode compartilhar até cinco elétrons na camada de valência, conforme o exemplo.

O Fósforo completa a ligação covalente e deixa um elétron livre, portanto, é um doador de cargas negativas e o cristal formado é do tipo N. Todos os elementos na coluna V da tabela periódica, são doadores de elétrons.

Pode se dizer que um cristal do tipo N, é um portador livre de carga elétrica negativa, e a partícula a ser movimentada na rede, será o elétron. 

Cristal tipo P

Os elementos adicionados ao Silício para fomar um cristal do tipo P, pertencem a coluna III da tabela peridódica, podendo compartilhar até três elétrons na camada de valência. 

O elemento escolhido, não forma quatro ligações que cada átomo de Silício requer para completar seu octeto, resultando uma região ausente de carga negativa. Na ausência da carga negativa, temos a lacuna como portador de cargas positivas e podemos considerar que há um movimento dessa carga no cristal, a medida que transferimos energia externa para a rede.

Pode se dizer que um cristal do tipo P, é um portador de carga livre positiva, e a partícula que se movimenta na rede é a lacuna.   

Junção PN

Estudamos duas regiões que formam monocristais de material semicondutor que podemos distinguir uma do tipo P e outra do tipo N. Pode se dizer que a junção, é uma região de interface entre os dois cristais, onde ocorrem os efeitos semicondutivos.

Depleção e barreira potencial

Quando ocorre a junção entre as áreas de contato, forma-se a região de depleção, onde os elétrons são chamados de portadores majoritários e as lacunas portadores minoritários. 

A concentração de elétrons livres no cristal N, manifesta uma corrente na direção das lacunas do cristal P. A concentração de lacunas livres no canal P, manifesta uma corrente na direção aos elétrons livres do cristal N.

O material do tipo N começa a ter uma deficiência do número de elétrons, e consequentemente faz predominar uma carga positiva somente na região de depleção. Já o material do tipo P, começa a receber elétrons e forma o potencial negativo na região.

A acumulação e aproximação das cargas opostas nesta região, cria um campo elétrico que atua sobre sobre os elétrons. A tensão elétrica associada a esse campo tem o nome de barreira potencial e é da ordem de 0,6 Volts para o Sílicio e 0,3 Volts para o Germânio.

Polarização direta da junção

Para permitir a passagem da corrente elétrica, é necessária a adição de dois contatos elétricos externos ligados aos cristais até um gerador de tensão elétrica.

Dada a ligação esquemática abaixo, o pólo negativo da bateria repele os elétrons do cristal N, de maneira que os mesmos se a dirigem ao cristal P. Já o polo positivo atrai os elétrons de valência do cristal P, oferecendo um aumento de corrente elétrica quando o potencial na região de depleção é maior que 0,6 Volts para o Silício e 0,3 Volts para o Germânio, representada pelas linhas descontínuas no desenho.

A polarização direta, gera um diminuição da camada de depleção, e a corrente elétrica que flui sobre o cristal ,é a máxima que a bateria pode fornecerr. Dizemos que houve a saturação ou conducão da junção.

Polarização inversa da junção

Na configuração com ligação inversa, o pólo positivo da bateria atraem os elétrons livres do cristal N e o pólo negativo da mesma , atrai em sentido oposto, as lacunas livres do cristal do tipo P. Isto provoca um aumento da região de depleção e a corrente elétrica é mínima ou quase não ocorre.

Percebemos que as propriedades semicondutoras dos materiais, permite fabricar dispositivos capazes em detectar o sentido da corrente.  Dependendo deste sentido, este sólido permitirá o fluxo maior em uma direção, e quase nenhum na outra.

O diodo de contato

Os cristais unidos pelas junções, são agora conectados por dois terminais metálicos comuns e montados sobre um invólucro de vidro ou expoxy. Os terminais em contato com os cristais P e N , recebem respectivamente os nomes de ânodo e cátodo.

A simbologia para um diodo retificador comum, tem o claro objetivo de indicar os dois terminais diferentes para que se observe a polaridade elétrica na montagem dos circuitos. 

Um uso prático para o diodo

Um uso prático que utiliza as técnicas empregadas nesse estudo para aplicação dos diodos em circuitos eletrônicos, tem o clássico modelo projetado nas fontes de alimentação e circuitos detectores de rádio para separação de sinais diferentes, numa mesma portadora. 

Não muito além , o funcionamento desse dispositivo é semelhante a uma chave liga desliga , onde o comando para desligar , vem do sentido da corrente aplicada aos terminais. Acontece que esta é uma chave automática de estado sólido e pode comutar a corrente, bilhões de vezes em um único segundo.

Vamos tratar das frequências de comutação numa faixa baixa de oscilação, já que nossa aplicação de laboratório sugere a montagem de uma fonte de alimentação baseada em 60 Hertz. 

Essa onda que chegará ao diodo, é proveniente de uma gerador de corrente alternada, e tem seu efeito periódico devido ao tempo de revolução das turbinas nas usinas. 

Como o sentido da corrente alternada muda constantemente o fluxo dos elétrons, haverá no primeiro ciclo positivo da onda, a condução da corrente do diodo para o resistor de carga R, resultado da saturação do diodo pelo rompimento da barreira potencial de 0.6 Volts. Quando ocorre o sentido oposto da corrente ou sinal na entrada, dizemos que o diodo corta a corrente , pois está polarizado inversamente.

O resultado é a retificação em meia onda da corrente. Isto por que o dispositivo ceifou os pulsos ou sinais negativos da onda para a carga R.

O objetivo para os arranjos de diodo como retificador de tensão, é formar um sinal puro com polaridade constante, para serem conectados a outros dispositvos que requerem a conversão da corrente alternada para contínua.