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Diodo semicondutor

Diodo

fonte:(Teoria e desenvolvimento de projetos e circuitos eletrônicos, Antonio marco, Otávio Markus, Waldir Sandrini )

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Átomo

Definimos átomo como o menor elemento químico que compõe a molécula que, por sua vez, também é compostas por partículas denominadas elétrons, prótons e nêutrons. leia também (wikipedia)

Os prótons e nêutrons constituem o núcleo: os prótons tem carga elétrica positiva e os nêutrons não tem carga elétrica.

Os elétrons têm carga elétrica negativa e giram ao redor do núcleo em órbitas concêntricas.

Quanto aos elétrons, ainda podemos salientar o seguinte:

• eles eles se apresentam em níveis de energia predispostos a partir do núcleo, em que podemos notar a presença de sete desses níveis na ordem: K, L, M, N, O, P, Q.

• O número máximo de elétrons por camadas acha-se descrito em seguida:

A última camada (também denominada camada de valência) apresenta, quando completa um total de oito elétrons denominados de elétrons de valência. Na natureza os únicos elementos que apresentam a última camada completa são os gases nobres.

Quanto às camadas inferiores, uma vez completas, não cedem nem recebem elétrons; logo, os elétrons de valência são os únicos em condição de participar de fenômenos químicos ou elétricos.

Observação: Um elétron pode girar em torno de dois núcleos quando os átomos encontram-se dispostos simetricamente.

Valência

Um átomo é estável quando quando apresenta a última camada completa, ou seja, a primeira camada possui dois elétrons e as restantes apresentam, no mínimo, oito elétrons. Para melhor esclarecimento, veja a figura seguinte:

                        

Eletrovalência

Existe eletrovalência quando um dos átomos doa definitivamente um elétron ao átomo vizinho (que o recebe definitivamente).

O sódio (NA) cede um elétron ao cloro (CL), que passa a ter oito elétron na camada de valência. Assim, ambos os átomos tornam-se estáveis.

Covalência

Existe covalência quando os átomos usam elétrons comuns para atingir a estabilidade. Para melhor esclarecimento, passamos a figura seguinte , na qual temos uma molécula de CO₂  (gás carbônico), para maior facilidade de entendimento.

Condutores

Os condutores são elementos que possuem elétrons livres em grande quantidade e fracamente ligados ao núcleo, que, sob a ação de uma diferença de potencial, passam a se locomover no interior do material condutor. quanto maior o número de elétrons livres, maior será o fluxo de corrente e, consequentemente, maior sua condutividade.

Isolantes

Isolantes

 Os elétrons nos materiais isolantes acham-se fortemente presos aos núcleos, e mesmo quando aquecidos, uma quantidade muito pequena de elétron torna-se livre, dificultando o fluxo de corrente sob a ação de uma diferença de potencial.

Como de isolantes, podemos citar a borracha, a mica, a porcelana etc.

Semicondutores

Semicondutores

A eletrônica se desenvolveu de forma espantosa nas últimas décadas. A cada dia novos componentes são colocados no mercado, simplificando o projeto e construção de novos equipamentos cada vez mais sofisticados. Um dos fatos que contribuiu de forma marcante para essa evolução foi a descoberta e aplicação dos materiais semicondutores. O primeiro componente fabricado com esses materiais, que foi denominado diodo semicondutor, é até hoje utilizado para a transformação de corrente alternada em corrente contínua.

Constituição química

Os materiais semicondutores mais simples, são constituídos de átomos de um único elemento químico com quatro elétrons na camada de valência. 

Átomos exibindo esta configuração eletrônica são denominados de átomos tetravalentes.

Os semicondutores mais comuns são o silício (Si) e o germânio (Ge).

Como podemos notar, tanto o silício quanto o germânio possuem um total de quatro elétrons na camada de valência. por isso, esses materiais semicondutores são denominados tetravalentes.

Como o número máximo de elétrons na última camada é oito, os átomos desses materiais formam ligações covalentes com os seus vizinhos, tornando-se estáveis (oito elétrons na camada de valência ) e formando uma estrutura cristalina .

Notamos na figura que cada átomo encontra-se unido a outros quatro átomos vizinhos por ligação covalente. Da forma como se apresenta esse semicondutor, ao aplicarmos uma tenção, não resultará uma corrente, pois os elétrons acham-se presos às ligações de valência. Não havendo elétrons livres para a condução. Para que haja corrente, seria necessário romper as ligações covalentes mediante o fornecimento de energia suficiente para isso, nas formas de luz, calor etc.

Formação das lacunas

Com o rompimento da ligação de valência ocorre a liberação do elétron, de modo que o espaço vazio originado por tal rompimento, denominado lacuna, comporta-se como uma carga positiva que pode se mover de um lado a outro do cristal.

    a)                                                         b)

            

c)                                                      d)

            

Mecanismo de Condução de Elétrons e Lacunas

A lacuna representada na figura a) deve-se ao fato de um elétron ter sido atraído pelo polo positivo da bateria. Essa lacuna comporta-se como uma carga positiva dotada de mobilidade.

A figura b) mostra que a carga positiva móvel (lacuna) caminha em direção ao polo negativo da bateria enquanto os elétrons para o polo positivo.

observação:
Cada elétron retirado do material pelo polo positivo da bateria ocasiona a formação de uma lacuna, porém o polo negativo dela se encarrega de repor um outro elétron. Notamos na figura b) que um elétron passou a ocupar a lacuna originada pelo elétron atraído pelo polo positivo da bateria, porém, ao deslocar-se, originou em seu antigo lugar uma nova lacuna. por esse mecanismo, existem duas correntes dentro do material, uma de portadores positivos (lacunas) e outra de portadores negativos (elétrons) cujos movimentos são contrários. a lacuna apresenta carga igual à do elétron, porém com polaridade oposta, obedecendo a um potencial elétrico como o elétron, mas em sentido oposto.

Semicondutor Tipo P e N

Dopagem

A dopagem é um processo químico no qual átomos estranhos são introduzidos na estrutura cristalina de uma substância. Os materiais encontrados em sua forma natural, geralmente contêm um certo grau de impurezas que se instalam durante o processo de formação desses materiais. essa situação pode ser caracterizada como um processo de dopagem natural.

A dopagem pode também ser realizada em laboratório, com o abjetivo de introduzir no cristal uma determinada quantidade de átomos de impureza, de forma a alterar, de maneira controlada, as propriedades físicas naturais do material. Em um cristal semi condutor a dopagem é geralmente realizada para alterar suas propriedades elétricas. O grau  de condutividade bem como o mecanismo de condução do semicondutor dopado irá depender dos tipos de átomos de impureza introduzidos no cristal.

Semicondutor Tipo N

Elementos Pentavalente

Entende-se por pentavalente todo elemento que possui em sua última camada um total de cinco elétrons.

Exemplo:

antimônio, fósforo e arsênico

Formação do semicondutor tipo N

Quando o processo de dopagem introduz na estrutura cristalina do semicondutor uma quantidade de átomos contendo excesso de um elétron relativamente ao número de elétrons da camada mais externa de cada átomo do cristal, forma-se um semicondutor tipo N. neste processo, uma pequena quantidade dos átomos dopantes introduz apenas ligeiras modificações na estrutura cristalina do semicondutor puro.

Um exemplo típico de formação de um semicondutor tipo n ocorre quando átomos de fósforo são introduzidos na estrutura cristalina do silício.

Como mostrado na figura, o quinto elétron de valência do átomo de fósforo não participa de nenhuma ligação covalente, pois não existe um segundo elétron de valência disponível nos átomos vizinhos que possibilite a formação dessa ligação. Esse elétron extra pode, portanto, ser facilmente liberado pelo átomo de fósforo, Passando a transitar livremente através da estrutura do cristal semicondutor. Com a adição de impurezas, e consequente aumento no número de elétrons livres, o cristal que era puro e isolante passa a ser condutor de corrente elétrica. É importante observar que embora o material tenha sido dopado, o número total de elétrons permanece igual ao número total de prótons no cristal, de forma que o material continua eletricamente neutro. 

Semicondutor tipo P

Elementos Trivalentes

Por trivalentes entende-se todo elemento que possui em sua última camada (camada de valência) um total de três elétrons.

Exemplos: alumínio, índio, boro e gálio

Quando os átomos introduzidos na estrutura cristalina do semicondutor exibem deficiência de um elétron de valência relativamente ao número de elétrons da camada mais externa de cada átomo do cristal, forma-se um semicondutor tipo P. O átomo de índio, por exemplo, tem três elétrons na camada de valência, quando utilizado no processo de dopagem do silício da origem a um semicondutor tipo P.

Como se pode observar o átomo de índio se acomoda na estrutura cristalina, formando três ligações covalentes com átomos vizinhos de silício. Com respeito à ligação com o quarto átomo de silício, verifica-se a ausência do segundo elétron que comporia o par necessário à formação daquela ligação com o átomo de índio. Essa ausência de elétron de ligação é denominada de lacuna. 

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