Materiais Elétricos

CENTRO UNIVERSITÁRIO INTERNACIONAL UNINTER ESCOLA SUPERIOR POLITÉCNICA BACHARELADO EM ENGENHARIA DA COMPUTAÇÃO DISCIPLINA DE PBL FUNDAMENTOS DA ENGENHARIA letra 14 times new roman centralizado maiúscula TÍTULO DO TRABALHO letra 14 times new roman centralizado maiúscula negrito ALUNOS PROFESSOR letra 12 times new roman direita maiúscula CURITIBA PR ANO letra 12 times new roman centralizado maiúscula SUMÁRIO 1 INTRODUCAO1 11 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA1 12 OBJETIVOS2 121 Objetivo geral2 122 Objetivos específicos2 2 DESENVOLVIMENTO3 21 TAMANHO DO TRABALHO3 22 ESPECIFICAÇÕES GERAIS PARA A FORMATAÇÃO DO TEXTO3 23 EQUAÇÕES3 24 FIGURAS E TABELAS4 3 CONCLUSÕES6 4 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS7 1 INTRODUCAO Neste capítulo devem constar informações para situar o trabalho incluindo a delimitação do tema área de da abrangência do estudo a motivação ou justificativa e o problema que inspirou o trabalho Toda investigação se inicia por um problema uma questão ou uma dúvida uma pergunta articulada a conhecimentos anteriores ou seja identificar a dificuldade com a qual nos defrontamos Destacar a importância assim como a relevância social e científica da pesquisa relevância para a área 11 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA Aqui devese apresentar as teorias e o embasamento teórico dos conceitos utilizados ao longo do trabalho incluindo as referências às suas fontes de pesquisa AZEVEDO 2009 Também trabalhos de outros autores correlatos A revisão da literatura deve ser atual Todas as referências listadas nas Referências Bibliográficas devem ter sido citadas pelo menos uma vez em algum ponto do texto Observar a maneira correta de fazer citações bibliográficas A citação deve vir entre parênteses utilizandose maiúsculas para o sobrenome dos autores seguido do ano da publicação Para citações com um dois ou três autores citamse todos por exemplo FERLIN CARVALHO e GONZAGA 2015 Para citações com mais do que três autores os três primeiros são citados seguidos da expressão latina et al ou et alli significa e os demais por exemplo FERLIN CARVALHO GONZAGA et al 2015 Entretanto nas Referências Bibliográficas todos os autores devem estar listados Uma pesquisa pode ser feita a partir de a documentação indireta i pesquisa documental feita em fontes primárias em arquivos públicos ou particulares fontes estatísticas ii pesquisa bibliográfica feita em fontes secundárias tais como artigos livros revistas publicações diversas sites de internet etc b documentação direta i pesquisa de campo ii observação direta entrevistas questionários formulários 1 12 OBJETIVOS Os objetivos são as metas que se pretende constatar verificar analisar Os objetivos pretendem sempre examinar o objeto dentro de determinados parâmetros É algo que deve ser verificável no final do trabalho 121 Objetivo geral Busca definir uma meta para todo o trabalho Está ligado à formulação do problema eou proposição das hipóteses 122 Objetivos específicos Estão ligados diretamente ao conteúdo à estrutura ao atendimento de questões mais particulares do trabalho uma vez alcançados ajudam a chegar ao objetivo principal Desenvolver verificar analisar investigar descrever comparar identificar são alguns verbos utilizados na elaboração dos objetivos 2 DESENVOLVIMENTO Descrever os itens solicitados 21 TAMANHO DO TRABALHO O texto deve ser separado em seções subtítulos à medida que for necessário O trabalho completo incluindo figuras e tabelas deve conter no máximo 30 trinta páginas em tamanho A4 21 cm x 297 cm Cada página tamanho A4 deve ser configurada de modo a apresentar as seguintes margens esquerda igual a 3 cm direita igual a 2 cm superior igual a 30 cm e inferior igual a 20 cm 22 ESPECIFICAÇÕES GERAIS PARA A FORMATAÇÃO DO TEXTO O trabalho deve ser totalmente digitado em fonte Times New Roman tamanho 12 pt Esta diretriz não inclui somente a capa do trabalho esta deverá apresentar tamanho 14 pt aonde o título não pode exceder 3 linhas O texto deve ser digitado em estilo normal e alinhamento justificado Comece cada parágrafo com um TAB da margem esquerda não deixando espaço entre dois parágrafos subsequentes 23 EQUAÇÕES Caso haja necessidade de utilização de equações as equações devem estar centralizadas Numere as equações em sequência com algarismos arábicos entre parênteses e alinhados à direita conforme modelo Deixe uma linha de espaço antes e depois de cada equação incluída Por exemplo qr4 π r2k d T d r 1 Sempre que for feita referência a uma equação no texto deve ser escrito Eq 1 exceto no início de uma sentença onde Equação 1 deve ser usado Símbolos devem estar em itálico Sua definição deverá ser feita quando mencionados pela primeira vez no texto Uma seção de definições de símbolos não se faz necessária Todos os dados do trabalho inclusive aqueles em tabelas e figuras devem estar em unidades do Sistema Internacional SI A vírgula deverá ser o separador entre a parte inteira e a parte decimal de números fracionários 24 FIGURAS E TABELAS Figuras e tabelas conforme a Tabela 1 devem ser posicionadas o mais próximo possível de sua citação no texto Textos e símbolos nelas incluídos devem ser de fácil leitura devendose evitar o uso de símbolos pequenos As legendas das tabelas são inseridas clicando com o botão direito na tabela e selecionando a opção Inserir legenda Tabela 1 Consumo médio de aparelhos domésticos Aparelho KWh Ar Condicionado 12 Chuveiro 40 Ferro de passar 08 Forno de microondas 12 Lavadora de roupas 08 TV 02 Figuras tabelas e suas legendas deverão estar centradas no texto Posicione o título de uma tabela acima da mesma também deixando uma linha de espaço entre elas Posicione a legenda abaixo da figura deixando uma linha de espaço entre elas Deixe uma linha de espaço entre a figura ou tabela e o texto subsequente Solicitase a inclusão de ilustrações e fotos de boa qualidade Numere figuras e tabelas em sequência usando algarismos arábicos ex Figura 1 Figura 2 Tabela 1 Tabela 2 Faça referência a elas no texto como Tabela 1 e Fig 1 exceto no início de uma sentença onde Figura 1 deve ser usado Para facilitar o posicionamento das figuras no texto elas podem ser inseridas dentro de tabelas sem bordas As legendas devem ser inseridas clicando com o botão direito na figura e selecionar a opção Inserir Legenda Figura 1 Formas geométricas Denomine os eixos coordenados em gráficos incluindo as respectivas unidades sempre que aplicável Da mesma forma denomine colunaslinhas em tabelas com as respectivas unidades 3 CONCLUSÕES Aqui devem ser apresentados os comentários relacionando os resultados obtidos com os objetivos assim como as conclusões sobre o trabalho realizado Devem ser respondidas as questões levantadas na introdução do trabalho como motivação e problema Como conclusões devem ser apresentadas as consequências dos resultados e os impactos para a área de estudo em questão Apontar as descobertas do trabalho e reflexões contudo evitando afirmações que não condizem com a verdade Caso identifiquese uma possível continuidade da pesquisa ou projeto vale fazer sugestões de trabalhos futuros possivelmente algo que não houve tempo hábil para realizar ou que justificaria um novo trabalho em função da grande demanda que necessitaria 4 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Deve ser registrado todo o material que possibilitou um conhecimento prévio sobre o tema e sua delimitação Relação de todas as obras consultadas em ordem alfabética conforme determina ABNT autor obra edição quando não for a primeira local editora ano de publicação Todas as referências apresentadas aqui devem ter sido citadas no texto do trabalho Alguns exemplos são apresentados abaixo Na versão final não classificar em tipos de referências como feito abaixo deixar apenas as referências em ordem alfabética Artigos em periódicos FERLIN Edson Pedro CARVALHO N F Os Cursos de Engenharia na Modalidade EaD e Presencial Proposta de Cursos na Área de Computação Produção e Elétrica In COBENGE 2015 XLIII Congresso Brasileiro de Educação em Engenharia São Bernardo do Campo SP 2015 Livros AZEVEDO Celicina Borges Metodologia científica ao alcance de todos 2ª Ed Barueri SP Manole 2009 p 1020 WAZLAWICK RS Metodologia da pesquisa para Ciência da computação Ed Elsevier Rio de Janeiro 2009 40 p Capítulos de livros MAGALHÃES L B N Antihipertensivos In SILVA P Farmacologia Rio de Janeiro Guanabara Koogan 1998 p 647657 TeseDissertaçãoMonografia SOUZA A C S Risco biológico e biossegurança no cotidiano de enfermeiros e auxiliares de enfermagem Tese Doutorado Escola de Enfermagem de Ribeirão Preto Universidade de São Paulo Ribeirão Preto 2001 183p Internet LEFFA V J Normas da ABNT Citações e Referências Bibliográficas Disponível em httpwwwleffaprobrtextosabnthtm Acesso em 05 fev 2016 Periódicos disponíveis por meio eletrônico SOUZA H RODRIGUES C A alma da fome é política Jornal do Brasil on line São Paulo 12 set 1993 Disponível httpwwwgeocitiescomathensthebes7046fomehtm Acesso em 11 jul 2001 1 Disciplina de Materiais Elétricos Atividade Prática de Materiais Elétricos Estudo do princípio de funcionamento dos Diodos 1 OBJETIVO Esta atividade prática de Materiais Elétricos tem como intuito aprofundar os conhecimentos dos conceitos ensinados na disciplina Com esta pesquisa o aluno será capaz de entender o princípio de funcionamento dos diodos de forma geral e suas aplicações práticas Após o término do trabalho o aluno deverá entregar em um ARQUIVO ÚNICO NO FORMATO PDF no AVA no ícone trabalhos Caso entregue em outro formato será descontada nota 2 INTRODUÇÃO Muitos dispositivos eletrônicos são lineares pois as suas correntes são diretamente proporcionais as suas tensões Um diodo é diferente devido à sua barreira de potencial ele não age como um resistor Isso significa que a curva corrente em função da tensão em um diodo resulta num gráfico não linear O símbolo do diodo é representado na figura BOYLESTAD 2013 Figura 1 sensor capacitivo simples 2 Disciplina de Materiais Elétricos 3 PROCEDIMENTOS Pesquisa em base de dados confiáveis 1 Livros 2 Sites Scientific Eletronic Library Online SciELO Portal de Periódicos da CAPES Google Acadêmico Biblioteca Digital de Teses e Dissertações BDTD Sciencegov Montar o trabalho conforme modelo disponibilizado Modelo de Trabalho Materiais Responder às perguntas do desenvolvimento 4 DESENVOLVIMENTO Descrever os itens relacionados abaixo Junção PN Materiais utilizados construção e dopagens Princípio de funcionamento do diodo Princípio de funcionamento do diodo emissor de luz LED Comente sobre outros tipos de diodos e suas principais aplicações Observação explicar de forma clara completa e com figuras cada um dos itens Não é um resumo é um trabalho completo 5 INFORMAÇÕES ADICIONAIS O intuito desta atividade é que você escreva com as suas palavras sobre os assuntos solicitados e aprenda como escrever um trabalho seguindo um modelo template Além do conteúdo será avaliado a formatação do texto É importante ressaltar que é considerado plágio quando se usa um texto exatamente igual a um já existente Acima de 5 palavras idênticas e na mesma sequência em uma frase essa frase é considerada que foi plagiada Em um trabalho acadêmico devese ler diversos textos de referência e reescrever com as suas palavras tudo o que foi entendido É possível fazer citação de trechos de um texto mas mesmo com citação é preciso ter o cuidado para que o seu trabalho não seja uma cópia idêntica PORTAL EDUCAÇÃO 2018 3 Disciplina de Materiais Elétricos 6 Referências BOYLESTAD Robert L NASHELSKY Louis Dispositivos Eletrônicos e Teoria de Circuitos 11ª ed São Paulo Pearson 2013 PORTAL EDUCAÇÃO O Crime de Plágio Disponível em httpswwwportaleducacaocombrconteudoartigosdireitoocrimede plagio50044 acesso em 11 de junho de 2018 CENTRO UNIVERSITÁRIO INTERNACIONAL UNINTER ESCOLA SUPERIOR POLITÉCNICA BACHARELADO EM ENGENHARIA DA COMPUTAÇÃO DISCIPLINA DE PBL FUNDAMENTOS DA ENGENHARIA letra 14 times new roman centralizado maiúscula TÍTULO DO TRABALHO letra 14 times new roman centralizado maiúscula negrito ALUNOS PROFESSOR letra 12 times new roman direita maiúscula CURITIBA PR ANO letra 12 times new roman centralizado maiúscula SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO 11 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA Os materiais elétricos são classificados fundamentalmente com base em sua capacidade de conduzir corrente elétrica uma propriedade intrinsecamente ligada à sua estrutura atômica e mais especificamente à sua estrutura de bandas de energia Os materiais condutores como o cobre e o alumínio possuem elétrons de valência fracamente ligados permitindo um fluxo de corrente substancial com mínima aplicação de energia Inversamente os materiais isolantes como a porcelana ou o PVC possuem um gap de energia banda proibida muito largo tornando o fluxo de corrente praticamente nulo sob condições normais de operação Entre esses dois extremos situamse os semicondutores tipicamente o Silício Si e o Germânio Ge A característica definidora de um semicondutor não é sua condutividade intermediária mas sim a capacidade de ter essa condutividade drasticamente alterada e controlada Este controle é a base de toda a eletrônica moderna e é alcançado primariamente por dois mecanismos 1 a introdução precisa de impurezas químicas em sua rede cristalina um processo denominado dopagem e 2 a aplicação de campos elétricos externos conhecida como polarização O dispositivo eletrônico mais fundamental que emerge da combinação desses dois mecanismos de controle é o diodo de junção PN Diferentemente de um resistor que exibe um comportamento linear onde a corrente é diretamente proporcional à tensão o diodo é um dispositivo intrinsecamente nãolinear Sua estrutura permite o fluxo de corrente de forma assimétrica quase livremente em um sentido polarização direta e bloqueandoo quase completamente no sentido oposto polarização reversa Este relatório técnico tem como objetivo dissecar a física dos materiais e os princípios operacionais que conferem ao diodo esse comportamento singular Partindo da engenharia dos materiais base dopagem tipo P e tipo N será analisada a formação da junção PN e o estabelecimento da barreira de potencial Subsequentemente será detalhado como a polarização externa modula essa barreira para controlar o fluxo de corrente Por fim o estudo será expandido para dispositivos que exploram fenômenos físicos secundários da junção como o Diodo Emissor de Luz LED e outros diodos de finalidade específica 12 OBJETIVOS 121 Objetivo geral O objetivo geral deste trabalho em conformidade com a atividade prática proposta é aprofundar os conhecimentos teóricos sobre os materiais elétricos semicondutores focando no princípio de funcionamento dos diodos de forma geral e em suas aplicações práticas na engenharia 122 Objetivos específicos Os objetivos específicos que estruturam este desenvolvimento são 1 Descrever o processo de dopagem de semicondutores materiais tipo P e tipo N e os materiais de construção envolvidos Explicar a física da formação da junção PN detalhando o surgimento da camada de depleção e da barreira de potencial Analisar o princípio de funcionamento do diodo de junção sob condições de polarização direta e reversa Detalhar o princípio de funcionamento específico do Diodo Emissor de Luz LED correlacionando o material ao espectro de luz emitido Comentar sobre outros tipos de diodos de finalidade específica Zener Schottky Varicap e Fotodiodo e suas principais aplicações 2 DESENVOLVIMENTO 21 Materiais Semicondutores e Processo de Dopagem O fundamento de todos os dispositivos semicondutores modernos é a transformação de um material isolante em um condutor controlado Este processo iniciase com um semicondutor intrínseco puro e sua modificação através da dopagem Semicondutor Intrínseco O material base predominante na indústria eletrônica é o Silício Si um elemento tetravalente Grupo IV da tabela periódica Em sua forma pura intrínseca os átomos de silício organizamse em uma rede cristalina estável onde cada átomo compartilha seus quatro elétrons de valência em ligações covalentes com quatro vizinhos Do ponto de vista da teoria de bandas à temperatura de zero absoluto 0 K a banda de valência onde residem os elétrons das ligações está completamente preenchida e a banda de condução onde os elétrons se movem livremente está completamente vazia A energia que separa essas duas bandas é o bandgap Eg Para que o silício conduza um elétron deve saltar o bandgap À temperatura ambiente a energia térmica é suficiente para quebrar algumas ligações criando um número reduzido e igual de elétrons livres na banda de condução e lacunas na banda de valência No entanto a condutividade resultante é muito baixa para aplicações práticas Semicondutor Extrínseco Dopagem Para aumentar drasticamente a condutividade de forma controlada utilizase a dopagem Este é um processo de engenharia de materiais que modifica a estrutura eletrônica do cristal pela inserção de átomos de impureza A dopagem introduz novos níveis de energia permitidos dentro do bandgap facilitando enormemente a condução Este processo cria dois tipos de materiais Material Tipo N Dopagem Pentavalente Introduzemse impurezas do Grupo V ex Fósforo Arsênio na rede de Silício Como o átomo dopante possui cinco elétrons de valência quatro são utilizados para satisfazer as ligações covalentes com os átomos de silício vizinhos O quinto elétron de valência fica fracamente ligado ao seu átomo pai o Efeito na Estrutura de Bandas Este elétron extra reside em um nível doador um nível de energia discreto localizado dentro do bandgap mas muito próximo da banda de condução o Resultado Com uma quantidade mínima de energia térmica este elétron salta para a banda de condução tornandose um portador de carga livre O átomo dopante agora sem esse elétron tornase um íon positivo fixo na rede O material resultante possui um vasto excesso de elétrons livres portadores majoritários negativos sendo eletricamente neutro em sua totalidade Material Tipo P Dopagem Trivalente Introduzemse impurezas do Grupo III ex Boro na rede de Silício O átomo dopante possui apenas três elétrons de valência resultando em uma ligação covalente incompleta ou seja a falta de um elétron Esta ausência é denominada lacuna ou buraco o Efeito na Estrutura de Bandas Esta lacuna cria um nível aceitador um nível de energia vago dentro do bandgap mas muito próximo da banda de valência o Resultado Um elétron de uma ligação vizinha da banda de valência pode facilmente pular para preencher esta lacuna com mínima energia movendo efetivamente a lacuna pela rede O átomo dopante ao aceitar este elétron tornase um íon negativo fixo na rede O material resultante comportase como se tivesse um vasto excesso de portadores de carga positivos as lacunas portadores majoritários 22 A Formação e Estrutura da Junção PN O diodo é formado no exato momento em que um semicondutor tipo P é fabricado em contato íntimo com um semicondutor tipo N A interação física nessa interface a junção PN cria as propriedades fundamentais do dispositivo No instante da formação da junção existem dois tipos de materiais eletricamente neutros mas com gradientes de concentração de portadores extremos na interface excesso de elétrons no lado N e excesso de lacunas no lado P Corrente de Difusão Impulsionados por este gradiente de concentração os portadores majoritários iniciam um fluxo através da junção Elétrons livres do lado N difundemse para o lado P onde se recombinam com lacunas e lacunas do lado P difundemse para o lado N onde se recombinam com elétrons Este fluxo inicial é chamado de corrente de difusão Criação da Camada de Depleção Este processo de difusão e recombinação não continua indefinidamente Quando um elétron do lado N cruza a junção ele deixa para trás seu átomo doador que agora é um íon positivo fixo na rede Similarmente quando uma lacuna do lado P é preenchida por um elétron ou se difunde ela deixa para trás seu átomo aceitador como um íon negativo fixo Na vizinhança imediata da junção os portadores móveis elétrons e lacunas são depletados restando apenas uma região de íons fixos expostos Esta zona é chamada de camada de depleção ou região de carga espacial Barreira de Potencial V0 Esta camada de carga espacial com íons positivos fixos no lado N e íons negativos fixos no lado P gera um forte campo elétrico interno Ei que aponta do lado N para o lado P Este campo eléétrico opõese vigorosamente à continuação da difusão dos portadores majoritários A diferença de potencial elétrico associada a este campo é a barreira de potencial V0 Para o silício esta barreira é de aproximadamente 07 V à temperatura ambiente Este estado sem tensão externa é um equilíbrio dinâmico A barreira de potencial impede a difusão da maioria dos portadores majoritários No entanto os portadores minoritários lacunas no lado N elétrons no lado P que se aproximam da junção são varridos para o lado oposto pelo forte campo elétrico Esta é a corrente de condução ou deriva Em equilíbrio a corrente de difusão pequena é exatamente igual e oposta à corrente de condução resultando em uma corrente líquida nula 23 Princípio de Funcionamento do Diodo de Junção O princípio de funcionamento do diodo baseiase na aplicação de uma tensão externa polarização para perturbar o equilíbrio da junção PN modulando a largura da camada de depleção e consequentemente sua resistência ao fluxo de corrente 231 Polarização Reversa Na polarização reversa o terminal positivo de uma fonte de tensão externa é conectado ao material tipo N e o terminal negativo ao material tipo P Mecanismo Físico O campo elétrico externo aplicado possui a mesma direção do campo elétrico interno da barreira de potencial Os dois campos se somam Efeito nos Portadores O terminal positivo da fonte atrai os portadores majoritários do lado N elétrons e o terminal negativo atrai os portadores majoritários do lado P lacunas Ambos os tipos de portadores são portanto afastados da junção Resultado na Junção A camada de depleção agora com mais íons expostos alarga se significativamente A barreira de potencial total aumenta Fluxo de Corrente A barreira aumentada bloqueia completamente a corrente de difusão maioritários A única corrente que flui é a minúscula corrente de condução deriva de portadores minoritários que é muito pequena e largamente independente da tensão reversa aplicada Conclusão O diodo comportase como uma resistência extremamente alta aproximandose de uma chave aberta Figura 1 Cristal PN em modo polarização reversa a esquema de circuito simplificado e corrente reversa condução de minoritários b representação do efeito da corrente reversa por bandas de energia 232 Polarização Direta Na polarização direta o terminal positivo da fonte externa é conectado ao material tipo P e o terminal negativo ao material tipo N Mecanismo Físico O campo elétrico externo aplicado opõese ao campo elétrico interno da barreira de potencial Efeito nos Portadores O terminal positivo da fonte repele os portadores majoritários do lado P lacunas e o terminal negativo repele os portadores majoritários do lado N elétrons Ambos os tipos de portadores são empurrados em direção à junção Resultado na Junção A camada de depleção estreitase A barreira de potencial efetiva diminui Fluxo de Corrente o Se a tensão aplicada for menor que a barreira de potencial V0 a corrente ainda é desprezível o Quando a tensão aplicada se iguala e supera a barreira de potencial ex V app07 V para o silício a barreira é efetivamente eliminada o Os portadores majoritários elétrons e lacunas são injetados através da junção em grande número resultando em uma massiva corrente de difusão A corrente aumenta exponencialmente com a tensão Conclusão O diodo comportase como uma resistência muito baixa aproximandose de uma chave fechada V app07 Figura 2 Cristal PN em modo polarização direta a esquema de circuito simplificado e corrente direta difusão de majoritários b representação do efeito da corrente direta por bandas de energia A Figura 3 sintetiza esse comportamento nãolinear na curva característica CorrenteTensão IV do diodo Figura 3 Característica correntetensão de um diodo de junção a definição dos quadrantes de polarização b comportamento e definição das regiões de operação c exemplificação das ordens de grandeza nos eixos 24 O Diodo Emissor de Luz LED O Diodo Emissor de Luz LED é um tipo especial de diodo de junção PN que em vez de dissipar energia como calor é projetado para convertêla eficientemente em energia luminosa fótons Seu princípio de funcionamento é uma aplicação direta da física da recombinação de portadores O fenômeno é conhecido como eletroluminescência O processo ocorre em três etapas fundamentais quando o dispositivo está sob polarização direta 1 Injeção de Portadores Assim como em um diodo de retificação Seção 232 a polarização direta injeta portadores majoritários através da junção elétrons da banda de condução do lado N são injetados no lado P e lacunas da banda de valência do lado P são injetadas no lado N 2 Recombinação Na região da junção esses portadores injetados agora minoritários encontramse em alta concentração e se recombinam rapidamente Um elétron da banda de condução cai para preencher uma lacuna na banda de valência 3 Emissão de Energia Fóton vs Fônon Ao cair da banda de condução alta energia para a banda de valência baixa energia o elétron deve liberar o excesso de energia que é igual à energia do bandgap Eg do material o Em diodos de bandgap indireto como Silício e Germânio essa energia é liberada como calor vibrações na rede cristalina chamadas fônons o Em diodos de bandgap direto semicondutores compostos como Arsenieto de Gálio GaAs ou Nitreto de Gálio GaN a mecânica quântica da transição permite que essa energia seja liberada eficientemente como um fóton uma partícula de luz A cor da luz emitida pelo LED é portanto uma função direta da engenharia de materiais especificamente da energia do bandgap Eg do semicondutor utilizado A energia do fóton e portanto sua frequência e cor é determinada por Eg Ao criar ligas semicondutoras com diferentes composições os engenheiros podem sintonizar o bandgap para produzir cores específicas GaAsP Fosfeto de Arsenieto de Gálio Usado para LEDs vermelhos e amarelos GaN Nitreto de Gálio Fundamental para a criação de LEDs azuis violetas e por extensão com fósforo brancos 25 Diodos de Finalidade Específica e Aplicações Enquanto o diodo padrão é projetado para retificação fenômenos físicos secundários que ocorrem na junção PN como capacitância ruptura reversa e interação com a luz são explorados e maximizados para criar diodos de finalidade específica A Tabela 1 resume os principais tipos Tabela 1 Resumo dos Diodos de Finalidade Específica e seus Princípios Físicos Nome do Diodo Símbolo Esquemático Princípio Físico Explorado Modo de Operação Típico Aplicação Principal Diodo Zener Ruptura reversa controlada Avalanche ou Zener Polarização Reversa Regulação de Tensão LED Recombinação radiativa Eletroluminescência Polarização Direta Emissão de Luz Fotodiodo Geração de pares eh por absorção de fótons Polarização Reversa Detecção de Luz Diodo Schottky Junção MetalSemicondutor Barreira Schottky Polarização Direta Comutação Rápida Diodo Varicap Variação da capacitância da camada de depleção Polarização Reversa Sintonia de RF 251 Diodo Zener O diodo Zener é projetado especificamente para operar de forma confiável na região de ruptura reversa Enquanto a ruptura destrói um diodo comum o Zener é fabricado para suportar esse modo Princípio Quando a tensão reversa atinge um valor prédeterminado a Tensão Zener VZ o diodo rompe e passa a conduzir uma corrente reversa significativa O aspecto crucial é que durante essa ruptura a tensão nos terminais do diodo permanece praticamente constante e igual a VZ Aplicação Sua aplicação primária é como regulador de tensão fornecendo uma tensão de referência estável ex 5V para um circuito mesmo que a tensão de entrada varie ou a carga mude 252 Diodo Schottky O diodo Schottky é estruturalmente diferente ele não utiliza uma junção PN Em vez disso é formado por uma junção MetalSemicondutor MS ex platina sobre silício tipo N Esta junção forma uma Barreira Schottky Princípio e Características o Baixa Tensão Direta VF A queda de tensão na polarização direta é muito baixa tipicamente na faixa de 02 V a 04 V em comparação com os 07 V do silício Isso o torna muito mais eficiente em termos de potência pois dissipa menos calor o Comutação Ultrarrápida A condução em um diodo Schottky é feita exclusivamente por portadores majoritários elétrons no caso MS tipo N Não há injeção de portadores minoritários lacunas A ausência de portadores minoritários significa que não há tempo de recuperação reversa o diodo pode parar de conduzir desligar quase instantaneamente Aplicações Essencial em fontes de alimentação chaveadas SMPS de alta frequência circuitos de radiofrequência RF e como diodos de grampeamento clipping para proteção de circuitos 253 Diodo Varicap Varactor O diodo Varicap ou Varactor é projetado para explorar a capacitância intrínseca da junção PN Princípio O dispositivo opera sempre em polarização reversa Nessa condição a camada de depleção isolante funciona como o dielétrico de um capacitor enquanto as regiões P e N condutoras atuam como as placas Funcionamento A largura da camada de depleção e portanto a capacitância é controlada pela tensão reversa aplicada o Se a tensão reversa VR aumenta a camada de depleção alargase dielétrico mais espesso e a capacitância C diminui o Se a tensão reversa VR diminui a camada de depleção estreitase e a capacitância C aumenta Aplicação É usado como um capacitor variável controlado por tensão É o componente chave em circuitos de sintonia eletrônica como osciladores controlados por tensão VCOs em rádios televisores e sistemas de telecomunicações 254 Fotodiodo O fotodiodo é o oposto conceitual do LED ele converte energia luminosa fótons em um sinal elétrico corrente Princípio Opera tipicamente em polarização reversa No escuro a junção reversamente polarizada permite apenas a passagem da minúscula corrente de fuga minoritários Funcionamento Quando fótons com energia suficiente E Eg atingem a camada de depleção eles são absorvidos e criam novos pares elétronlacuna O forte campo elétrico interno da junção reversa imediatamente varre esses novos portadores elétrons para o lado N lacunas para o lado P criando uma corrente reversa que é diretamente proporcional à intensidade da luz incidente Aplicação Sensores de luz fotodetectores em sistemas de fibra óptica leitores de código de barras e medidores de intensidade luminosa Células fotovoltaicas são uma variação do fotodiodo otimizada para operar sem polarização externa maximizando a geração de energia 3 CONCLUSÕES Este relatório demonstrou que o diodo semicondutor embora conceitualmente simples é um dispositivo cuja funcionalidade deriva de complexas interações da física dos materiais A análise dos tópicos solicitados permite sintetizar as seguintes conclusões A base da eletrônica de semicondutores reside na engenharia de materiais em nível atômico O processo de dopagem Seção 21 é o que transforma um isolante silício puro em um condutor controlável criando os blocos de construção tipo P ricos em lacunas e tipo N ricos em elétrons A junção PN Seção 22 não é uma simples interface mas uma região física ativa A difusão de portadores no momento de sua formação cria a camada de depleção e a barreira de potencial V0 um campo elétrico interno que estabelece um equilíbrio dinâmico e define o estado desligado do dispositivo O princípio de funcionamento do diodo Seção 23 é fundamentalmente a modulação da largura da camada de depleção por uma tensão externa A polarização direta anula a barreira de potencial estreita a depleção permitindo o fluxo de corrente chave fechada enquanto a polarização reversa reforça a barreira alarga a depleção bloqueando a corrente chave aberta Diodos de finalidade específica Seções 24 e 25 não são invenções radicalmente novas mas sim otimizações de engenharia que exploram e maximizam fenômenos físicos inerentes à junção PN o O LED maximiza a recombinação radiativa emissão de fótons em materiais de bandgap direto o O Fotodiodo maximiza a geração de portadores absorção de fótons na camada de depleção reversa o O Diodo Zener é projetado para operar de forma estável na ruptura reversa o O Diodo Varicap explora a capacitância da camada de depleção como função da tensão o O Diodo Schottky altera o próprio material MetalSemicondutor para eliminar a injeção de portadores minoritários alcançando velocidade de comutação superior Em suma o diodo de junção PN é o componente elementar que demonstra como através da manipulação controlada de materiais dopagem e campos elétricos é possível converter controlar detectar e emitir energia formando a base de toda a eletrônica de potência optoeletrônica e telecomunicações modernas 4 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS BRIGATTO Gelson Antônio Andrêa Apostila da Disciplina Materiais Elétricos Versão 2021 Goiânia Universidade Federal de Goiás UFG 2021 BOYLESTAD Robert L NASHELSKY Louis Dispositivos Eletrônicos e Teoria de Circuitos 11ª ed São Paulo Pearson 2013 CALLISTER William D Fundamentos da Ciência e Engenharia de Materiais 2ª ed Rio de Janeiro LTC 2006 ELETRÔNICA DE POTÊNCIA Diodo Schottky Funcionamento Características e Aplicações Eletrônica de Potência 11 jul 2022 Disponível em httpseletronicadepotenciacomdiodoschotky FORÇA AÉREA PORTUGUESA Fundamentos de Electrónica Compêndio Categoria B2 Alfragide CRFA 2021 MENEZES B A T Improvement and evaluation of the electronic structure of cerium and titanium doped niobium oxides for photocatalysis Tese Doutorado em Química Instituto de Química Universidade do Estado do Rio de Janeiro Rio de Janeiro 2022 SCHIMIDT Walfredo Materiais Elétricos Vols I e II São Paulo Edgard Blücher 1979 SEDRA Adel S SMITH Kenneth C Microeletrônica 5ª ed São Paulo Makron Books 2007 SHACKELFORD James F Ciência dos Materiais 6ª ed São Paulo PrenticeHall 2008 SILVA C E C Projeto simulação e implementação de um oscilador controlado por tensão VCO utilizando diodo varactor Dissertação Mestrado em Engenharia e Tecnologia Espaciais Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais INPE São José dos Campos 2019