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Capítulo 6 6.1 Teoria básica dos semicondutores 6.2 Os diodos 6.3 Os transistores bipolares 6.4 Os transistores de efeito de campo 6.5 Os tiristores 6.6 Os circuitos integrados Curso Prático de Eletrônica Moderna « CEMET 147 CCL LEME LECCE. RE | Eletrônica Básica « Semicondutores Os semicondutores têm revolucionado a eletrônica mais do que qualquer outra tecnologia. Não existe praticamente nenhum circuito, sistema ou equipamento eletrônico modermo que não utilize semicondutores de uma ou outra forma. Este capítulo explica em linhas gerais a teoria básica dos semicondutores e examina os principais tipos disponíveis atualmente, dando ênfase aos diodos, transistores bipolares, transistores de efeito de campo, tiristores e circuitos integrados. Para cada um analizam-se o seu funcionamento, sua simbologia, suas variantes ou tipos, suas formas de identificação e suas aplicações gerais. Nos capítulos seguintes se estudam em detalhe suas características e seu comportamento como elementos de 6.1 Teoria básica dos semicondutores Os semicondutores, figura 6.1, são componentes eletró- nicos baseados na proprieda- de de certos materiais do mes- mo nome como o silício, o germânio, o sulfeto de cádmio e o arsenito de gúlio de com- portar-se indistintamente como condutores ou como iso- lantes sob determinadas con- ições ou estímulos externos. s estímulos podem ser, por exemplo, sinais elétricos de corrente ou de tensão, mudanças de luz ou de temperatura. presença de campos magnéti- cos, etc. Os semicon- dutores são denomi- nados também dispo- sitivos de estado só- lido. Atualmente, os dispositivos semicon- dutores “feitos pelo homem” mais utiliza- dos em Eletrônica são 148 circuito. os diodos, os transistores, Os tiristores e os circuitos in dos, construídos mente à base de sil uma des suas próprias variantes ou ti- pos. Por exemplo, odos retificadores, zener, emissores de luz, de capac de variável, Schottky, o. Cada categorias possui stem di- transistores bipolares e de e! to de campo; tiristores unidi- recionais e bidirecionais; cir- cuitos integrados analógicos, digitais, híbridos, etc. 8,1.1 Semicondutores intrínsecos A característica principal dos semicondutores, diferente- mente dos condutores e dos isolantes é sua estrutura atô- mica, Para compreender este conceito, é conveniente lem- brar que no átomo, compo- nente essencial da matéria, o núcleo, formado pelos pró- tons e os neutrons. Fo- deado pelos elétrons, os quais se distribuem em órbitas ou níveis de energia, figura 6.24). Os prótons são partículas de carga posi- tiva (+), 08 elétrons par- tículas de carga negativa (-je os neutrons partícu- las neutras, ou seja sem carga elétrica, Os elétrons mais dis- tantes do núcleo, locali- zados no nível de energia mais externo, são deno- minados elétrons de va- lência e são muito impor- tantes do ponto de vista CENT + Curso Prático de Eletrômica Moderna di a O a O E A O SS A E O A A A A As lacunas (conven- ++ 04 6% E 10:0:0:. “o a que aumenta a e Electrón R Ds + 44 re e s o mpfi -6:0:0: temperatura, cresce também o número de pares elétron-lacuna e, portanto, aumen- ta a grandeza de ambas correntes. 6.1.2 Husco Dad E Enistal de silício intrínseco com elétrons Semicondulores livres e ocos formados por agitação tármica com que alguns elétrons de valência rompam os enlaces que os mantém ligados ao cris- tale se convertam em elétrons livres, permitindo a circulação de correntes elétricas. A saída de um elétron da faixa de valência deixa sempre na mesma um espaço vazio carregado positivamente cha- mado lacuna, a qual é preen- chida por outro elétron livre ou por um elétron de valência per- tencente a um átomo vizinho, figura 6.4. Portanto, dentro de um semicondutor onde circula uma corrente há um movimento perma- nente de elétrons e lacu- nas movendo-se ou pro- pagando-se em direções opostas. Posto que o nú- mero de lacunas é sem- pre igual ao número de elétrons livres, a corren- te de elétrons (real) é sempre da mesma gran- deza que à corrente de 150 extrínsecos Os cristais semicondutores puros ou intrínsecos são rara- mente empregados em Eletrô- nica devido a que, em seu es- tado natural, possuem muito poucos elétrons livres e preci- sam de grandes quantidades de energia para transportar cor- rentes importantes. Na práti- ca, os materiais semiconduto- tes utilizados na fabricação de diodos, transistores, circuitos integrados, etc., são dopados, ou seja contém quantidades muito pequenas, mas contro- ladas, de impurezas denomi- nadas dopantes que são as que Atomo de silicio ++ Figura 6.5. Semicondutor tipo N ade Atomo donador Da Electrôn sobrante determinam suas característi- cas elétricas, Estes tipos de semicondutores são denomi- nados extrinsecos. Eb: O material semicondutor puro sobre o qual se realiza o processo de dopagem para se obter um se- micondutor extrínseco é conheci- do como substrato. A maioria dos dispositivos semicondutores práticos utilizam silício como substrato por ser um elemento muito estável, econômico e abun- dante. Dopar um semicondutor é como adicionar um pouco de le- vedura a um montão de farinha, misturar bem e colocar em um forno: aparentemente não acon- teceu nada, mas ds efeitos Fisi- cos são evidentes. Os dopantes utilizados nos semicondutores extrínse- cos são invariavelmente áto- mos de elementos químicos pentavalentes ou trivalentes, ou seja, com cinco ou três elé- trons de valência, Devido à concentração de dopante, que é extremamente pequena, da ordem de um átomo de impureza por cada du- zentos milhões de áto- mos de silício, estes úl- timos sempre envolve- rão aos primeiros e compartilharão seus elé- trons de valência como no cristal original, com a diferença que agora um átomo de silício foi substituído por um áto- mo de impureza. CEMÉT + Curso Prático de Eletrônica Moderna Eletrônica Básica « Semicondutor Os substratos dopados com impurezas pentavalentes são de- nominados semicondutores tipo N, figura 6.5. Nestes, qua- tro dos cinco elétrons de valén- cia do átomo dopante formam enlaces covalentes com os qua- tro átomos vizinhos. O elétron restante não fica ligado a nenhum átomo e é livre para mover-se através do cristal, convertendo- se em um portador potencial de corrente, Portanto, um semicon- dutortipo N é um doador de elé- trons. O principal elemento uti- lizado como doador em cris- tais de silício é à fósforo. Para cristais de germânio utilizam-. * 0: ui se o antimônio e o arsênico. Os substratos dopados com impurezas trivalentes são denominados semicon- dutores tipo P, figura 6.6. Nestes, os três elétrons de valência do átomo dopante formam enlaces covalentes com três átomos vizinhos de Semicondutores extrinsecos. Uni um semicondutor tipo P mais lacunas do que elétrons. As gas em excesso são denomina- das portadores majoritários eas cargas em deficiência por- tadores minoritários. Portanto, em um semicon- dutor tipo N, os portadores ma- joritários são os elétrons e os portadores minoritários são as lacunas. Por outro lado, em um semicondutor tipo P, os portado- res majoritários são as lacunas e os portadores minoritários são os atomo de silício +. ++/0 Figura 6,8 Semicondutor tipo P silício. O elétron faltante ori- gina um lacuna, o qual se com- elétrons. porta como uma carga positiva livre, capaz de atrair um elétron Quando se aplica uma ten- extemo. Portanto, um semicon- são à um semicondutor tipo N dutor tipo P é um aceitador de elétrons, Os principais elemen- tos utilizados como impurezas aceitadoras em cristais de silício são o alumínio é o boro, Para cristais de germânio, utilizam-se o índio eo gálio, Como resultado da adição de impurezas, um semicondu- tor do tipo N possui mais elé- trons livres do que lacunas, e ou P, o resultado é a circulação através do mesmo de uma cor- rente relativamente grande devi- do aos portadores majoritários e uma corrente relativamente pe- quena devido aos portadores minoritários. Esta última, que é da ordem dos micro-ampéres (HA), denomina-se corrente de fuga e depende principalmente da temperatura, Curso Prático de Eletrônica Moderna « ClElCÊT Atomo 2: Pedi 6.1.3 Uniões PN Os semicondutores tipos Ne P, por si mesmos, não têm maior utilidade prática, exceto quan- do estão fortemente dopados, e neste caso emprega-se como resistores que dependem da temperatura, Um dispositivo muito mais útil é a união PN, figura 6.7, obtida ao dopar um cristal de silício ou germânio puro (substrato) com impure- zas pentavalentes e trivalentes de modo que uma metade seja do tipo N e a outra metade seja do tipo P. Todos os dispositivos semicondutores, incluindo os diodos, os transistores, a ap, os firistores e os circuitos eai Huesca integrados estão baseados LA a “0: 0: O: ++ na combinação de duas ou mais capas alternadas de ma- teriais dos tipos N e P, ou seja, possuem uma ou mais uniões PN. Um diodo, por exemplo, é uma união PN, Em uma união PN há ini- cialmente um excesso de elé- trons livres no lado N e de la- cunas no lado P. Portanto, al- guns elétrons do lado N serão atraídos por algumas lacunas do lado P, e vice-versa, figura 6.7(a). O processo de inter- câmbio de cargas. que é extre- mamente rápido, continuará até que na divisa entre os dois materiais, denominada zona de esgotamento, seja forma- da uma barreira elétrica de ten- são que impede a passagem de um maior número de portado- 191 LE] ELE EELCCTEEECCTLLEETCECCECCTELE COETCCTECEETEE] (e) y (a) Figura 6.15 Diodos zener (a) Simbolos, (b) Curva caracteristica real. (c) Circuitos equivalentes. (dl) Identificação de terminais, râmetros foram designados nas folhas de dados como Ir(av) & VRRM, respectivamente, Conse- guem-se diodos retificadores com valores de VerM com me- nos de 40V até mais de 600V e valores de Trav) com menos de 100 mA até mais de 100 A, 6.2.2 Diodos zener Os diodos zener são diodos especialmente projetados para trabalhar na zona de ruptura, comportando-se diretamente como diodos retificadores co- muns-€ em inverso como re- ferências de tensão, Sua prin- cipal aplicação é como regu- ladores de voltagem. Na figu- ra 6.15 são mostrados os sím- bolos utilizados nos esquemas eletrônicos para representar os diodos zener, a curva caracte- rística V-I típica de um diodo zener real e dois modelos equi- 156 valentes que podem ser utili- zados para analizar seu com- portamento como elemento de um circuito. De acordo com a curva característica da figura 6.15(b), em um diodo zener polarizado inversamente, a corrente inversa (IR) É pra camente insignificante até que a tensão inversa (VR) atin- jaum certo valor Vz. chama- do tensão zener ou de refe- rência. Quando chegar a este ponto, o diodo entra em condução, permitindo a circula- ção de uma corrente importante, A partir de então, à tensão entre seus terminais perma- praticamente constante e igual a Vz para uma ampla faixa nece de valores de Ir. Esta propri- edade é a que permite utilizar os diodos zener como regula- dores de voltagem e/ou refe- rências de tensão em um gran- de número de aplicações. Na figura 6.16 é mostra- do como exemplo um circuito regulador de tensão que pode ser utilizado para demonstrar a ação de um diodo zener, Assu- me-se Vz=6,2V, Para valores de Vi menores de 6,2 V, o dio- do não conduz, comportando- se como um circuito aberto. Portanto, a corrente inversa (IR) é zero e a tensão de saída (Vo) é igual a Vi. Para valores de Vi maiores de 6.2 V, o diodo con- duz, comportando-se como uma fonte de tensão de 6,2 V. Portanto, Tr é diferente de zero é Vo=6,2 V. Ri 3800 Miliam- perimetro DE Fuente DO variable 0-10V Voltimeto m DE 1N3828 (6.241 W) Figura 8.76 Circuito experimental para comprovar a ação de um diodo zener CEMÍT + Curso Prático de Eletrônica Moderna Eletrônica Básica « Semicondutores Diodos emissores de luz A tensão em excesso que aparece sobre o resistor R1, denominado resistor de dre- nagem, deve ser cuidadosa- mente selecionada para limitar a corrente a um valor seguro através do zener. Os diodos zener iden- tificam-se por uma referên- cia, digamos 1N3828 ou BZX85, e são especifica- dos principalmente por sua tensão zener nominal (Vz) ea potência máxima que podem absorver de forma segura sem se destruir (Pz). Atualmente se conseguem diodos zener com valores padrão de Vz desde 2,0 V até 200 V é valores máximos de Pz de 0,25 W. 0,5 WI W, 5W10W e 50 W. Os valores de Vz disponíveis são simila- res aos da série de resistores de carvão E24 (5%, veja pá- gina 114). Por exemplo, os valores comerciais de Vz mais próximos a 5 V são 4,7 Vies, V. 6.2.3. Diodos emissores de luz (LEDs) Os LEDs (Light Emitting Dio- des), figura 6.17, são diodos Curso Prático de Eletrônica Moderna + Figura 6.17 Diodos emissores de luz (LEDs) feitos geralmente de arsenito de gálio fosfatado (GaAsP), à que emitem luz de forma contínua ou intermitente quan- do polarizados di- retamente. São uti- Hizados primaria- mente como indicadores é vi- sualizadores, Sob determinadas condições, podem também atu- arcomo detectores de luz. A luz emitida por um LED pode ser vermelha, amarela, alaranjada, verde ou azul dependendo de sua composição. nero plástica fre de color E A Na Cátodo 18) Anodo (A) Figura 6.18 identificação de terminais da um diodo emissor deduz (LED) Também existem no mer- cado LEDs infravermelhos ou IREDs, que emitem uma luz in- visível para o olho humano, é diodos laser, que emitem uma luz altamente concentrada e co- erente, Na figura 6.18 são mos- trados o símbolo utilizado nos esquemas eletrônicos para identificar um LED e a forma de identificar o cátodo (Kj em um LED de cápsula circular, Os LEDs emitem luz devido aos elétrons: combinarem-se cemir com os ocos, passando de um nível energético superior para um mais baixo, Nos diodos de silício comuns, esta mudança de energia se manifesta em forma de calor. Os LEDs são especificados pela cor ou comprimento de onda da luz emitida, q queda de tensão direta (VF), a máxima tensão inversa (VR), a corren- te máxima direta (IF) é a inten- sidade luminosa. Tipicamente, Vrédaordem de 16Va2Z8V e VR da ordem de4 Vas V Conseguem-se LEDs com va- lores de IF com menos de 20 mA até mais de 100 mA e imensidades com menos de 0,5 med (milicandelas) até mais de 4000 med. Quanto maior for a corrente aplica- da, maior será o brilho, e vice-versa. O valor de VF depende da cor, sendo míni- mo para LEDs vermelhos e máximo para LEDs azuis, Os LEDs devem ser pro- tegidos com uma resistor em séric, como indicado na figu- ra 6,19, para limitar a corren- te que passa através deles a um valor seguro, inferior à Ir má- +VIN A LED RS 6800 Mv Figura 6.19 Circuito básico de utilização de um LED 157 Outros tipos de diodos capacitancia voltaje inverso Figura 6.23 Curva caracteristica de um diodo varicap inversa de ruptura muito bai- xa. Isto limita seu uso a apli- cações muito especi Os diodos varicap, tam- bém chamados varactores ou diodos de sintonia, figura 6.23, trabalham polarizados inversamente e atuam como capacitores variáveis controla- dos por tensão. Esta caracte- rística os faz muito úteis como. elementos de sintonia em re- ceptores de rádio e televisão. São também muito utilizados em osciladores, multiplicado» res, amplificadores, geradores de FM e outros circuitos de alta frequência. Uma variante dos mesmos são os diodos SNAP, utilizados para aplica- ções de UHF (lrequência ul- tra elevada) e microondas. B = AB: Región de memistancia neganva Figura 6.24 Curva característica de um diodo túnel WO] CMT EMEMCMTETETUT EMT ÃO TE==W Dol Curso Prático de Eletrônica Moderna + Os diodos túnel, também denominados diodos Esaki, fi- gura 6.24, caracterizam-se por possuir uma zona de esgota- mento extremamente delicada e terem sua curva V-| uma região de resistência negativa onde a corrente diminui a medida que uumenta a tensão. Esta última propriedade os faz úteis como detectores, amplificadores, os- ciladores, multiplicadores, inter- ruptores, ete., em aplicações de alta frequência. Os diodos laser, também chamados lasers de injeção ou ILDs, figura 6.25, são LEDs que emitem uma luz monocro- mática, geralmente vermelha ou infravermelha, fortemente con- centrada, focada, coerente e po- tente. São muito utilizados em computadores e sistemas de áu- dio e vídeo para ler compact dises (CDs) que contêm dados, música, filmes, ete,, assim como em sistemas de comunicações para enviar informações através de cabos de fibra ótica. Também são usados em marcadores lu- minosos, leitores de códigos de barras e outras aplicações, Os diodos de microondas, figura 6.26, são dispositivos de- senvolvidos para trabalhar a fre- quências muito elevadas, onde a capacidade de resposta dos dio- dos comuns está limitada por seu tempo de trânsito, ou seja o tempo que demoram os portado- res de carga para atravessar a união PN, Os mais conhecidos são os diodos Gunn, PIN e IM- cEiT Acción lasárica = as Na Potencia de safida. mW =] a 12:5miW— Acción no lasérioa onaos toa eua 300 Corrente, ma, Figura 6.25 Curva característica de potência de um diodo laser PATT. Os diodos PIN são utili zados principalmente como re- sistores variáveis por tensão e os diodos Gunn e IMPATT como osciladores, Também existem diodos T BARITT, ILSA, etc, av +V (a) (b) te) | Ga As P+ N Ne Ga As e PH Lado metálico xy 4 E =: V) e me JM fev Figura 6.26 Estritura de carnadas de diodos de microondas comuns (a) Gunn, (b) TRAPATT (c) BARITT, (d) IMPATT, 159 Eletrônica Bás 6. Semicondutores 6.3 Transistores bipolares A palavra transistor é deriva- da do termo transfer resistor (resistor de transferência) é de- signa, de forma genérica, um componente eletrônico de três terminais cuja resistência é uma função do nível de corrente ou tensão aplicada a um de seus terminais, Aproveitando esta propriedade, os transistores uti- lizam-se como fontes de comen- te controlada em amplificado- res, osciladores, misturadores, interruptores e muitas outras aplicações. O transistor, inventado em 1948 nos laboratórios da Bell Telephone nos Estados Unidos por um grupo de cientistas lide- tados por John Bardeen. Willi- am Shockley e Walter Brattainn é, sem dúvida, um dos avanços sz — Vet teto Vo CG Gu a Metettet: tem to ter dd Cometa Tete teto Base Colector mais significativos de nossa era e um dos componentes mais versáteis e importantes da ele- trônica moderna. Todos os cir- cuitos integrados são fabricados com transistores. Existem basicamente duas grandes famílias de transistores: os transistores bipolares e os transistores de efeito de cam- poou FE TS (Field Effect Tran- sistors). Estes últimos incluem os FETs de união (JFETS) e os FETs de comporta isolada (MOSFETs). Atualmente são também muito populares os transistores hipolares de com- porta isolada ou IGB'Ts, utili- zados em aplicações de potên- cia, que são muito parecidos com os MOSFETs em sua es- trutura física, mas sé asseme- lham mais aos transistores bipo- lares em sua operação elétrica. c) ps Disipador de calor 33494555 Diga 35555555 5 je N d5s94455 É 35454585 | 335453555 oo! G B e) lc , lg = 104A Voe hrela Voc IVA ; E aov “CE Figura 6.27 O transistor bipolar. (a) Simbologia. (b) Estrutura de camadas. fe) Identificação de terminais. (d) Circuito equivalente. (e) Curva caracteristica 160 cemir Estrutura. Os transistores bipolares. figura 6.27, são dis- positivos controlados por cor- rente formados por uma cama- da de material tipo P disposta entre duas camadas de material tipo N. ou uma de material tipo N disposta entre dois de tipo P. No primeiro caso tem-se um transistor NPN e no segundo um transistor PNP, A região central é denominada base (B) e as duas extremidades emissor (E) e coletor (C), respectivamente. A base é extremamente estreita e pouco dopada em relação ao emissor é 0 coletor, Em conse- quência, possui uma concentra- ção muito baixa de portadores. O emissor, por sua vez, está fortemente dopado e a concen- tração de portadores majoritá- rios disponíveis supera ampla- mente a da base. De outro lado, o coletor é extremamente am- plo e possui uma alta concen- tração de portadores minoritá- rios em relação à base e muito poucos portadores majoritários em comparação com o emissor. No caso de um transistor NPN, isto significa que a base não possui a quantidade suficiente de lacunas para combinar-se com todos os elétrons que o emissor pode fornecer. Como resultado, a maioria destes elé- trons atravessam a base em di- reção ao coletor. Polarização e funcionamento, Devido à forma como se alter- nam as camadas P e N, em um transistor existem duas uniões * Curso Prático de Eletrônica Moderna Pc (60) é Figura 6,28 Circuito básico de utilização de um transistor bipolar camo amplificador contaminantes, serve como dis- sipador de calor, proporciona os pinos de acesso, Facilita sua ma- nipulação e identificação, etc. Identificação. Os transisto- res, como todos os semicon- dutores, identificam-se por um código ou referência que representa suas caracteristicas (D) B Fr Cc (6) (Dj E (Dj (8) Figura 6.30 Encapsulados comuns de transistores e FETs 162 exatas. Existem basicamente três sistemas de identi- ficação: o ameri- cano, o europeu e o japonês, No sis- tema americano, a referência começa por 2N (2N3904), no europeu por BC, BS ou BF (BC108) e no sis- tema japonês por 2SA, 28B, 28€ ou 28D (28C458, 25A65, 25D926). Apesar desta padronização, muitos fabricantes utilizam suas próprias referências (ECGI23AP, | CA3082, TIP31, MPS8099, etc,). Especificações, Os transisto- res bipolares são especifica- dos principalmente pela má- xima corrente de coletor (IC) que podem manipular de forma segura, a má- xima tensão de polari- zação inversa que pode ser aplicada entre 0 co- letor e o emissor sem entrar em avalanche (VCEO) e o ganho de corrente beta (hFE). Outros parâmetros que os fabricantes espe- cificam nas folhas de da- dos de seus produtos são a máxima tensão entre o emissor e a base (VEBO), a potência máxima total (PTOT), a frequência de transição (Pr), a figura de ruído (NF), etc. cEmiiT RR 6.4, Transistores de efeito de campo (FETs) Os transistores de efeito de campo ou FETs (Field Effect Transistors), figura 6.31, são dispositivos de três terminais controlados por tensão e cons- tituídos por um material de base tipo N ou P, chamado substrato, dentro do qual se forma uma região de tipo opos- to, em forma de OU, denomi- nada canal, ligeiramente dopa- da/O substrato atua como com- porta ou gate (G). um dos ex- tremos do canal como fonte ou source (8) é o outro como dre- no ou drain (D). Portanto, en- te a comporta e o canal se forma uma união PN. Os FETs com esta estrutura são denominados FETs de união ou JFETs. Na maioria dos casos, o desenho do canal é simétrico e, portanto, qualquer um dos extremos pode ser utilizado como dreno ou como fonte. Entretanto, existem casos es- peciais nos quais o canal é as- simétrico e, conseguentemen- te, não se pode intercambiar estes terminais, Os JFETS po- dem ser de canal N ou de ca- nal P, dependendo da dopa- gem do canal Polarização e funcionamen- to. Para operar corretamente, os JFETs precisam ser pola- rizados em razão de duas ten- sões externas, como indicado na figura 6.32. A tensão VDD dirige o passo dos portadores “ Curso Prático de Eletrônica Moderna Eletrônica Básica * 6. Semicondutores 4 4 ( ( ( 1 ( ( ! 1 1 ! ( ( 4 ( 4 4 ( 1 4 4 4 4 1 4 1 4 4 q ! 1 1 4 4 q q q q 4 q q e EE ET] ETC DOES LEE TE <=- Fuante— Compuerta d) — Dranador b) / — Sustrato Canal Figura 6.91 Transistoras de efeito de campo de união (JFETs) (a) Simbologia. (b) Estrutura intema. (c) Circuito equivalente. (d) Família de curvas caracteristicas. de corrente pelo canal e a ten- são VGs regula sua quantida- de. Esta deve polarizar inver- samente a união PN entre o canal é o substrato. Portanto, em um JFET de canal N, a fonte deve ser positiva com respeito à comporta e negali- va com respeito ao dreno, O efeito liquido da pola- rização é a criação, entre o dreno e a fonte, de uma cor- rente de drenagem (1D). a qual circula ao longo do ca- nale depende da tensão VGs. Portanto, o canal atua como um resistor variável, No caso de um JFET de canal N, a ten- são VGS cria nas proximida- des da união substrato-canal uma zona de esgotamento, livre de elétrons. Esta região Curso Prático de Eletrônica Moderna + se forma por completo dentro do canal devido a existência de uma forte concentração de lacunas no substrato e uma baixa concentração de elé- trons no canal, A espessura da zona de esgotamento determina a área útil ou efetiva do canal e, por- tanto, sua capacidade de dei- xar passar mais ou menos elé- trons. A região de esgotamen- to se extende ao longo das pa- redes do canal, sendo mais ampla no lado do dreno que no lado da fonte. Isto é assim porque, do ponto de vista da comporta, o dreno está sub- metido a uma tensão inversa de polarização mais alta (VDs+VGs) que a fonte (VGS). emncir Ao aumentar à V6S, a re- gião de esgotamento se alarga e, portanto, o canal se estreita. Em consegiiência, passam menos elétrons entre a fonte e o dreno, diminuindo-se assim Ip, Ao diminuir a VGS, a re- gião de esgotamento se estrei- ta e, portanto, amplia-se o ca- nal, Em conseguência, passam mais elétrons entre à fonte e o dreno, aumentando-se assim ID. Deste modo, a VOS varia a resistência do canal e controla ou «modula» à corrente ID. Em ambos casos, a corrente de comporta (IG) é insignifican- te, a qual implica que a resis- tência de entrada de um FET é extremamente alta. A capacidade de amplifi- cação de um FET se mede ob- servando o efeito da Vas so- bre lb para um determinado valor de VDS, A relação in- +VD A qto Ra e Figura 6.32 Polarização de um JFET, (a) Cicuito básico. (b) Circuito prático 163 RR E SE ELLE LECCE CW] Quando a vGs se faz po- sitiva, os elétrons do canal são rejeitados pelas lacunas do substrato, aumentando assim a concentração de portadores de corrente dentro do canal. Em conseqiiência, diminui a resistência do canal e aumenta a corrente de drenagem. Diz-se, então, que o MOSFET está operando no modo de realce. Este modo de operação não existe no FET de união. Os MOSFETs identificam-se como os FETs, por uma referência, e são especificados em razão dos mesmos parâmetros. 6.5 Tiristores Um tiristor é um dispositivo construído com quatro cama- das de material semicondu- tor dispostas de tal forma que produzem um efeito de en- erustamento ou enganche Uatehing), Esta característica lhes permite atuar como in- terruptores eletrônicos de po- tência, diferentemente dos transistores bipolares e dos FETs que atuam essen- cialmente como amplificado- res de sinal. Suas principais. aplicações são no campo do controle e manuseio de potência, Os dos principais tipos de tiristores são o reti- ficador controlado de silício ou SCR (Silicon Controlled Rectifier) e o triodo de corrente alternada ou triac, cujas características gerais são examinadas posterior- mente. Também dispõe-se de tiristores para aplicações especiais como os diacs, os GTOs, etc., que serão estu- dados nos capítulos corres- pondentes. 6.5.1 Retificadores controlados de silício (SCRs) O SCR, como seu nome o indica, figura 6,35, é um diodo retificador de quatro camadas que, além de um ânodo (A) e de um cátodo (K) possui um terminal extra para fins de controle chamado comporta ou gate (6). Os SCRs foram desen- volvidos originalmente em 1956 como substitutos de estado sólido dos tiratrones ou válvulas de descarga ga- Sosa, Os SCRs são essencial- mente diodos retificadores e se comportam da mesma for- ma, exceto que, quando estão diretamente polarizados, re- querem a aplicação de uma corrente na comporta (TG) para realizar sua ação básica. Em outras palavras, devem ser disparados por um sinal de controle. Uma vez dispa- rado, um SCR entra em con- dução, comportando-se como um interruptor fechado. Sob esta condição, a comporta deixa de ter controle sobre o estado do dispositivo, A única forma de travá-lo é interrompendo a corrente de ânodo ([A) ou reduzindo-a abaixo de um valor mínimo chamado cor- rente de sustentação (1H). Para que se produza o disparo de um SCR, a IA deve ser superior a um valor mínimo chamado corrente de engate (1). Em outras pa- lavras, um SCR não entrará em condução se for suprimida a IG antes que a TA alcance o valor IL. Em general, IL>IA. O disparo A ) d) Figura 6.35 Retilicador controlado de silício (SCA) (9) Símbolo. (b) Estrutura de camadas. (0) Curva característica. (d) Apresentação usua! em cápsula TO-220. Curso Prático de Eletrônica Moderna + cmiT | vor Kaa 165 tampouco será efetivo se a IG e a VG forem inferiores aos valores mínimos IGT e IGT especificados. Os SCRs podem também entrar em condução com uma corrente de comporta zero (16=0), estando direta ou in- versamente polarizados, quando a tensão entre anodo e cátodo (VAC) for superior aum valor crítico VDRM (di- teto) ou YRRM (inverso), respectivamente, chamado tensão de ruptura, Também pode haver condução com I6=0 quando a velocidade de mudança de VAC (dvidt) é superior à especificada, Estes métodos de disparo não são utilizados na prática e devem ser evitados, Os SCRs identificam-se por uma referência (C 106, 2N6170, ECG5582) e são es- pecificados principalmente pela máxima corrente de ánodo (ITRMS), a tensão de ruptura direta (VDEM) e a tensão de ruptura inversa (VRRM). Conseguem-se SCRs com capacidades ae Cuadranta [) corrente com menos de 500 mA até mais de 300 A e tensões de ruptura com menos de 25V até mais de 2000V, Para o CIO6GA, por exemplo, ITRMS=4A E VDRM = VRRM = 100 Y. Um exem- plo de circuito de aplicação de um SCR é o alarme contra ladrões que se descreve no Projeto Nº 1 deste curso. 6.5.2 Triodos de corrente alternada (triacs) O triac, figura 6,37, como seu nome o indica, é um dis- positivo de três lerminais projetado para comutar correntes CA ou bidirecio- nais. Deste ponto de vista, um triac equivalente à asso- ciação de dois SCRs em an- tiparalelo. Portanto, requer um pulso de corrente na com- porta para conduzir e se trava quando a corrente de ânodo cai abaixo de seu valor de sustentação. Os triacs se uti- lizam para manusear cargas de potência que trabalham com CA, incluindo motores, lâmpadas, fornos, solenói- des, eto. Cuadranta c) ! VOAM Cundranto mm Cumdrando Ww MT a nro É Figura 6.37 Triodo de corrente alternada (Triac), (a) Símbolo. (b) Curva caracteristica. (c) Identificação de tarminais na cápsula TO-220, 166 emmciT RR | Os terminais de um triac são denominados MT1 (terminal principal 1), MT2 (terminal principal 2)e comporta ou gate (G), Este último realiza a mes- ma função que em um SCR, Durante cada semiciclo, um dos terminais principais atua como cátodo e o outro como ânodo, dependendo do sentido da corrente. Os triacs se identificam como os SCRs e se mantêm nas mesmas categorias de valores de ITRMS e VDRM, Dois exemplos de circuitos práticos com triac são o regulador de luminosidade e o relé de estado sólido descritos nos Projetos 4 e LO deste curso, 6.6 Circuitos integrados Os circuitos integrados são dispositivos que alojam e interconectam circuitos ou subsistemas completos, formados por uma grande quantidade de componen- tes, e que realizam funções muito complexas variadas, em um espaço ex- tremamente reduzido, chamado chip, tipicamente de 2,6 mm à 6.6 mm de lado e 0,5 mm de espessura, Os circuitos in- tegrados são atualmente os componentes mais im- portantes da eletrônica moderna. Por esta razão, o capítulo seguinte é total- mente dedicado u eles. “ Cursa Prático de Eletrônica Moderna Eletrônica Básica Semicondutores 1 1 | | | | [ | 
