Dispositivos semicondutores - Guia rápido

É amplamente visto que a distância de um núcleo do elétron de um átomo particular não é igual. Normalmente, os elétrons giram em uma órbita bem definida. Um determinado número de elétrons só pode ser mantido pela camada externa ou órbita. A condutividade elétrica de um átomo é influenciada principalmente pelos elétrons da camada externa. Esses elétrons têm muito a ver com a condutividade elétrica.

Condutores e isolantes

A condução elétrica é o resultado do movimento irregular ou descontrolado dos elétrons. Esses movimentos fazem com que certos átomos sejam bonselectrical conductors. Um material com esse tipo de átomos tem muitos elétrons livres em sua camada externa ou órbita.

Comparativamente, um insulating materialtem um número relativamente pequeno de elétrons livres. Conseqüentemente, os elétrons da camada externa dos isoladores tendem a se manter firmemente e dificilmente permitem que qualquer corrente flua através deles. Portanto, em um material isolante, ocorre muito pouca condutividade elétrica.

Semicondutores

Entre condutores e isoladores, existe uma terceira classificação de átomos (material) conhecida como semicondutores. Geralmente, a condutividade de um semicondutor fica entre as condutividades de metais e isoladores. No entanto, na temperatura zero absoluta, o semicondutor também atua como um isolador perfeito.

Silicon e germaniumsão os elementos semicondutores mais familiares. Óxido de cobre, sulfeto de cádmio e arsenieto de gálio são alguns outros compostos semicondutores usados ​​com freqüência. Esses tipos de material são geralmente classificados como elementos do tipo IVB. Esses átomos têm quatro elétrons de valência. Se eles podem ceder quatro elétrons de valência, a estabilidade pode ser alcançada. Também pode ser obtido aceitando quatro elétrons.

Estabilidade de um átomo

O conceito de estabilidade de um átomo é um fator importante no status de materiais semicondutores. O número máximo de elétrons na banda de valência é 8. Quando há exatamente 8 elétrons na banda de valência, pode-se dizer que o átomo é estável. Em umstable atom, a ligação dos elétrons de valência é muito rígida. Esses tipos de átomos são excelentes isolantes. Em tais átomos, elétrons livres não estão disponíveis para condutividade elétrica.

Exemplos de elementos estabilizados são gases como argônio, xenônio, néon e criptônio. Devido às suas propriedades, esses gases não podem ser misturados com outro material e são geralmente conhecidos comoinert gases.

Se o número de elétrons de valência na camada externa for inferior a 8, então o átomo é considerado instável, ou seja, os átomos com menos de 8 elétrons de valência são instáveis. Eles sempre tentam pedir emprestado ou doar elétrons dos átomos vizinhos para se tornarem estáveis. Os átomos na camada externa com 5, 6 ou 7 elétrons de valência tendem a tomar emprestados elétrons de outros átomos para buscar estabilidade, enquanto átomos com um, dois ou três elétrons de valência tendem a liberar esses elétrons para outros átomos próximos.

Tudo o que tem peso é importante. De acordo com a teoria do átomo, toda matéria, seja sólida, líquida ou gasosa, é composta de átomos. Um átomo contém uma parte central chamada núcleo, que contém os nêutrons e os prótons. Normalmente, os prótons são partículas com carga positiva e os nêutrons são partículas com carga neutra. Os elétrons que são partículas carregadas negativamente são organizados em órbitas ao redor do núcleo de uma forma semelhante à matriz de planetas ao redor do sol. A figura a seguir mostra a composição de um átomo.

Descobriu-se que átomos de elementos diferentes têm números diferentes de prótons, nêutrons e elétrons. Para distinguir um átomo de outro ou para classificar os vários átomos, um número que indica o número de prótons no núcleo de um dado átomo, é atribuído aos átomos de cada elemento identificado. Este número é conhecido comoatomic numberdo elemento. Os números atômicos de alguns dos elementos associados ao estudo de semicondutores são apresentados na tabela a seguir.

Elemento	Símbolo	Número atômico
Silício	Si	14
Germânio	Ge	32
Arsênico	Como	33
Antimônio	Sb	51
Índio	Dentro	49
Gálio	Ga	31
Boro	B	5

Normalmente, um átomo tem um número igual de prótons e elétrons planetários para manter sua carga líquida em zero. Os átomos freqüentemente se combinam para formar moléculas ou compostos estabilizados por meio de seus elétrons de valência disponíveis.

O processo de combinação de elétrons de valência livre é geralmente chamado bonding. A seguir estão os diferentes tipos de ligação que ocorrem nas combinações de átomos.

• Ligação iônica
• Ligação covalente
• Ligação metálica

Vamos agora discutir em detalhes sobre essas ligações atômicas.

Ligação iônica

Cada átomo busca estabilidade quando os átomos se unem para formar moléculas. Quando a banda de valência contém 8 elétrons, é considerada umastabilized condition. Quando os elétrons de valência de um átomo se combinam com os de outro átomo para se tornarem estáveis, é chamadoionic bonding.

• Se um átomo tem mais de 4 elétrons de valência na camada externa, ele está procurando elétrons adicionais. Esse átomo é frequentemente chamado deacceptor.

• Se algum átomo tiver menos de 4 elétrons de valência na camada externa, eles tentam se mover para fora desses elétrons. Esses átomos são conhecidos comodonors.

Na ligação iônica, os átomos doadores e aceitadores freqüentemente se combinam e a combinação se estabiliza. O sal comum é um exemplo comum de ligação iônica.

As figuras a seguir ilustram um exemplo de átomos independentes e ligações iônicas.

Pode-se observar na figura acima que o átomo de sódio (Na) doa seu elétron de valência 1 para o átomo de cloreto (Cl) que possui 7 elétrons de valência. O átomo de cloreto torna-se imediatamente desequilibrado negativamente quando obtém o elétron extra e isso faz com que o átomo se torne um íon negativo. Por outro lado, o átomo de sódio perde seu elétron de valência e o átomo de sódio torna-se um íon positivo. Como sabemos, ao contrário de cargas que se atraem, os átomos de sódio e cloreto são unidos por uma força eletrostática.

Ligação covalente

Quando os elétrons de valência de átomos vizinhos são compartilhados com outros átomos, ocorre a ligação covalente. Na ligação covalente, os íons não são formados. Esta é uma diferença única na ligação covalente e na ligação iônica.

Quando um átomo contém quatro elétrons de valência na camada externa, ele pode compartilhar um elétron com quatro átomos vizinhos. Uma força covalente é estabelecida entre os dois elétrons de ligação. Esses elétrons mudam alternadamente as órbitas entre os átomos. Essa força covalente une os átomos individuais. Uma ilustração da ligação covalente é mostrada nas figuras a seguir.

Neste arranjo, apenas os elétrons do núcleo e valência de cada átomo são mostrados. O par de elétrons é criado devido a átomos individuais serem ligados entre si. Neste caso, cinco átomos são necessários para completar a ação de ligação. O processo de união se amplia em todas as direções. Cada átomo agora está ligado em uma rede de rede e uma estrutura de cristal é formada por esta rede de rede.

Ligação Metálica

O terceiro tipo de ligação geralmente ocorre em bons condutores elétricos e é chamado de ligação metálica. Na ligação metálica, existe uma força eletrostática entre os íons positivos e os elétrons. Por exemplo, a banda de valência do cobre tem um elétron em sua camada externa. Este elétron tende a vagar pelo material entre diferentes átomos.

Quando esse elétron deixa um átomo, ele imediatamente entra na órbita de outro átomo. O processo é repetitivo em uma base contínua. Um átomo se torna um íon positivo quando um elétron o deixa. Isto é umrandom process. Isso significa que um elétron está sempre ligado a um átomo. Isso não significa que o elétron está associado a uma órbita particular. Está sempre vagando em diferentes órbitas. Como consequência, é provável que todos os átomos compartilhem todos os elétrons de valência.

Os elétrons ficam em uma nuvem que cobre os íons positivos. Esta nuvem pairando liga os elétrons aleatoriamente aos íons. A figura a seguir mostra um exemplo de ligação metálica de cobre.

O número de elétrons no anel externo de um átomo ainda é a razão para a diferença entre condutores e isolantes. Como sabemos, os materiais sólidos são usados ​​principalmente em dispositivos elétricos para realizar a condução de elétrons. Esses materiais podem ser separados em condutores, semicondutores e isolantes.

No entanto, condutores, semicondutores e isoladores são diferenciados por diagramas de nível de energia. A quantidade de energia necessária para fazer um elétron deixar sua banda de valência e entrar em condução será contabilizada aqui. O diagrama é uma composição de todos os átomos do material. Os diagramas de nível de energia de isoladores, semicondutores e condutores são mostrados na figura a seguir.

Valence Band

A parte inferior é o valence band. Ele representa os níveis de energia mais próximos do núcleo do átomo e os níveis de energia na banda de valência mantêm o número correto de elétrons necessários para equilibrar a carga positiva do núcleo. Assim, esta banda é chamada defilled band.

Na banda de valência, os elétrons estão fortemente ligados ao núcleo. Movendo-se para cima no nível de energia, os elétrons são mais levemente ligados em cada nível sucessivo em direção ao núcleo. Não é fácil perturbar os elétrons nos níveis de energia mais próximos do núcleo, pois seu movimento requer energias maiores e cada órbita do elétron possui um nível de energia distinto.

Banda de condução

A banda superior ou mais externa no diagrama é chamada de conduction band. Se um elétron tem um nível de energia, que fica dentro dessa faixa, e é comparativamente livre para se mover no cristal, ele conduz corrente elétrica.

Na eletrônica de semicondutores, estamos preocupados principalmente com as bandas de valência e condução. A seguir estão algumas informações básicas sobre ele -

• A banda de valência de cada átomo mostra os níveis de energia dos elétrons de valência na camada externa.

• Uma quantidade definida de energia deve ser adicionada aos elétrons de valência para fazer com que eles entrem na banda de condução.

Lacuna Proibida

As bandas de valência e condução são separadas por um gap, onde quer que exista, denominado gap proibido. Para cruzar a lacuna proibida, uma quantidade definida de energia é necessária. Se for insuficiente, os elétrons não são liberados para a condução. Os elétrons permanecerão na banda de valência até que recebam energia adicional para cruzar a lacuna proibida.

O estado de condução de um determinado material pode ser indicado pela largura da lacuna proibida. Na teoria atômica, a largura da lacuna é expressa em elétron-volts (eV). Um volt de elétron é definido como a quantidade de energia ganha ou perdida quando um elétron é submetido a uma diferença de potencial de 1 V. Os átomos de cada elemento têm um valor de nível de energia diferente que permite a condução.

Observe que o forbidden regionde um isolador é relativamente largo. Para fazer com que um isolador entre em condução, será necessária uma grande quantidade de energia. Por exemplo, Thyrite.

Se os isoladores operam em altas temperaturas, o aumento da energia térmica faz com que os elétrons da banda de valência se movam para a banda de condução.

Como fica claro no diagrama de banda de energia, a lacuna proibida de um semicondutor é muito menor do que a de um isolador. Por exemplo, o silício precisa ganhar 0,7 eV de energia para entrar na banda de condução. Em temperatura ambiente, a adição de energia térmica pode ser suficiente para causar condução em um semicondutor. Esta característica particular é de grande importância em dispositivos eletrônicos de estado sólido.

No caso de um condutor, a banda de condução e a banda de valência se sobrepõem parcialmente. Em certo sentido, não há lacuna proibida. Portanto, os elétrons da banda de valência são capazes de se liberar para se tornarem elétrons livres. Normalmente, em temperatura ambiente normal, pouca condução elétrica ocorre dentro do condutor.

Conforme discutido anteriormente, pode haver um ou mais elétrons livres por átomo que se movem por todo o interior do metal sob a influência de um campo aplicado.

A figura a seguir mostra a distribuição de carga em um metal. É conhecido como oelectron-gas description of a metal.

o hashed regionrepresenta o núcleo com carga positiva. Os pontos azuis representam os elétrons de valência na camada externa de um átomo. Basicamente, esses elétrons não pertencem a nenhum átomo específico e, como resultado, perderam sua identidade individual e vagam livremente de átomo a átomo.

Quando os elétrons estão em movimento ininterrupto, a direção do transporte é alterada a cada colisão com os íons pesados. Isso é baseado na teoria do gás-elétron de um metal. A distância média entre as colisões é chamada demean free path. Os elétrons, passando por uma área unitária, no metal na direção oposta em um determinado tempo, de forma aleatória, tornam a corrente média zero.

Quando a tensão é aplicada a dispositivos semicondutores, a corrente de elétrons flui em direção ao lado positivo da fonte e a corrente de orifícios flui em direção ao lado negativo da fonte. Tal situação ocorre apenas em um material semicondutor.

O silício e o germânio são os materiais semicondutores mais comuns. Geralmente, a condutividade de um semicondutor fica entre as condutividades de metais e isoladores.

Germânio como semicondutor

A seguir estão alguns pontos importantes sobre Germanium -

• Existem quatro elétrons na órbita mais externa do germânio. Nas ligações, os átomos são mostrados apenas com seus elétrons externos.

• Os átomos de germânio compartilharão elétrons de valência em uma ligação covalente. Isto é mostrado na figura a seguir. Germânio são os que estão associados à ligação covalente. A forma cristalina do germânio é chamada de rede cristalina. Este tipo de estrutura possui os átomos dispostos da forma mostrada na figura a seguir.

• Em tal arranjo, os elétrons estão em um estado muito estável e, portanto, são menos apropriados para serem associados a condutores. Na forma pura, o germânio é um material isolante e é chamado deintrinsic semiconductor.

A figura a seguir mostra as estruturas atômicas do Silício e do Germânio.

Silício como semicondutor

Dispositivos semicondutores também usam silício na fabricação de vários componentes eletrônicos. A estrutura atômica do silício e do germânio é mostrada na figura acima. A estrutura da rede cristalina do silício é semelhante à do germânio.

A seguir estão alguns dos pontos importantes sobre o silício -

• Possui quatro elétrons em sua camada mais externa, como o germânio.

• Na forma pura, não tem utilidade como dispositivo semicondutor.

• Uma quantidade desejada de condutividade pode ser obtida adicionando impurezas.

• A adição de impurezas deve ser feita com cuidado e em um ambiente controlado.

• Dependendo do tipo de impureza adicionada, isso criará um excesso ou um déficit de elétrons.

A figura a seguir mostra o cristal intrínseco de silício.

Silício puro ou germânio raramente são usados ​​como semicondutores. Semicondutores utilizáveis ​​na prática devem ter quantidade controlada de impurezas adicionadas a eles. A adição de impurezas mudará a capacidade do condutor e ele atua como um semicondutor. O processo de adição de uma impureza a um material intrínseco ou puro é chamadodoping e a impureza é chamada de dopant. Após a dopagem, um material intrínseco se torna um material extrínseco. Praticamente somente após a dopagem, esses materiais se tornam utilizáveis.

Quando uma impureza é adicionada ao silício ou germânio sem modificar a estrutura do cristal, um material do tipo N é produzido. Em alguns átomos, os elétrons têm cinco elétrons em sua banda de valência, como arsênio (As) e antimônio (Sb). A dopagem do silício com qualquer impureza não deve alterar a estrutura do cristal ou o processo de ligação. O elétron extra do átomo de impureza não participa de uma ligação covalente. Esses elétrons são fracamente mantidos juntos por seus átomos originadores. A figura a seguir mostra a alteração do cristal de silício com a adição de um átomo de impureza.

Efeito da dopagem em material tipo N

O efeito da dopagem em um material tipo N é o seguinte -

• Com a adição de arsênico ao silício puro, o cristal se torna um material do tipo N.

• O átomo de arsênio tem elétrons adicionais ou cargas negativas que não participam do processo de ligação covalente.

• Essas impurezas cedem ou doam um elétron ao cristal e são chamadas de impurezas doadoras.

• Um material do tipo N tem elétrons extras ou livres do que um material intrínseco.

• Um material do tipo N não tem carga negativa. Na verdade, todos os seus átomos são eletricamente neutros.

• Esses elétrons extras não participam do processo de ligação covalente. Eles são livres para se mover através da estrutura cristalina.

• Um cristal de silício extrínseco tipo N entrará em condução com apenas 0,005eV de energia aplicada.

• Apenas 0,7eV é necessário para mover os elétrons do cristal intrínseco da banda de valência para a banda de condução.

Normalmente, os elétrons são considerados os portadores de corrente majoritários neste tipo de cristal e os buracos são os portadores de corrente minoritários. A quantidade de material doador adicionado ao Silício descobre o número de portadores majoritários atuais em sua estrutura.

O número de elétrons em um silício do tipo N é muitas vezes maior do que os pares elétron-buraco do silício intrínseco. À temperatura ambiente, há uma diferença firme na condutividade elétrica deste material. Existem portadores de corrente abundantes para fazer parte do fluxo atual. O fluxo de corrente é obtido principalmente por elétrons neste tipo de material. Portanto, um material extrínseco se torna um bom condutor elétrico.

Efeito da dopagem no material tipo P

O efeito do doping em um material tipo P é o seguinte -

• Quando índio (In) ou Gálio (Ga) é adicionado ao silício puro, um material do tipo P é formado.

• Este tipo de material dopante possui três elétrons de valência. Eles estão procurando ansiosamente por um quarto elétron.

• No material do tipo P, cada buraco pode ser preenchido com um elétron. Para preencher esta área do buraco, muito menos energia é necessária para os elétrons dos grupos ligados covalentes vizinhos.

• O silício é tipicamente dopado com material dopante na faixa de 1 a 106. Isso significa que o material P terá muito mais buracos do que os pares elétron-buraco de silício puro.

• À temperatura ambiente, há uma diferença característica muito determinada na condutividade elétrica deste material.

A figura a seguir mostra como a estrutura cristalina do silício é alterada quando dopada com um elemento aceitador - neste caso, o índio. Um pedaço de material P não é carregado positivamente. Seus átomos são principalmente eletricamente neutros.

Existem, no entanto, lacunas na estrutura covalente de muitos grupos de átomos. Quando um elétron se move e preenche um buraco, o buraco fica vazio. Um novo buraco é criado no grupo ligado onde o elétron saiu. O movimento do buraco em vigor é o resultado do movimento do elétron. Um material do tipo P entrará em condução com apenas 0,05 eV de energia aplicada.

A figura acima mostra como um cristal do tipo P responderá quando conectado a uma fonte de tensão. Observe que há um número maior de buracos do que elétrons. Com a tensão aplicada, os elétrons são atraídos para o terminal positivo da bateria.

Os orifícios se movem, de certa forma, em direção ao terminal negativo da bateria. Um elétron é captado neste ponto. O elétron imediatamente preenche uma lacuna. O buraco então se torna vazio. Ao mesmo tempo, um elétron é retirado do material pelo terminal positivo da bateria. Os buracos, portanto, se movem em direção ao terminal negativo devido ao deslocamento de elétrons entre diferentes grupos ligados. Com a energia aplicada, o fluxo do orifício é contínuo.

Uma estrutura cristalina feita de materiais P e N é geralmente conhecida como junction diode. Geralmente é considerado um dispositivo de dois terminais. Conforme mostrado no diagrama a seguir, um terminal é conectado ao material do tipo P e o outro ao material do tipo N.

O ponto de ligação comum onde esses materiais estão conectados é chamado de junction. Um diodo de junção permite que os portadores de corrente fluam em uma direção e obstruam o fluxo de corrente na direção reversa.

A figura a seguir mostra a estrutura cristalina de um diodo de junção. Dê uma olhada na localização dos materiais do tipo P e do tipo N em relação à junção. A estrutura do cristal é contínua de uma extremidade à outra. A junção atua apenas como um ponto de separação que representa o fim de um material e o início do outro. Essa estrutura permite que os elétrons se movam completamente em toda a estrutura.

O diagrama a seguir mostra duas porções de substância semicondutora antes de serem moldadas em uma junção PN. Conforme especificado, cada parte do material temmajority e minority current carriers.

A quantidade de símbolos portadores mostrados em cada material indica a função minoritária ou majoritária. Como sabemos, os elétrons são os portadores majoritários no material do tipo N e os buracos são os portadores minoritários. No material do tipo P, os buracos são os portadores majoritários e os elétrons, a minoria.

Inicialmente, quando um diodo de junção é formado, há uma interação única entre os portadores de corrente. No material do tipo N, os elétrons se movem prontamente através da junção para preencher os buracos no material P. Este ato é comumente chamadodiffusion. A difusão é o resultado do alto acúmulo de portadores em um material e de um menor acúmulo no outro.

Geralmente, os atuais portadores que estão próximos à junção apenas participam do processo de difusão. Os elétrons que partem do material N fazem com que íons positivos sejam gerados em seu lugar. Ao entrar no material P para preencher os buracos, íons negativos são criados por esses elétrons. Como resultado, cada lado da junção contém um grande número de íons positivos e negativos.

A área onde esses buracos e elétrons se esgotam é geralmente conhecida pelo termo região de depleção. É uma área onde há falta de operadoras majoritárias atuais. Normalmente, uma região de depleção é desenvolvida quando a junção PN é formada. A figura a seguir mostra a região de depleção de um diodo de junção.

Os materiais do tipo N e P são considerados eletricamente neutros antes de serem unidos em uma junção comum. No entanto, depois que a difusão ocorre instantaneamente, conforme os elétrons cruzam a junção para preencher os buracos, fazendo com que os íons negativos surjam no material P, essa ação faz com que a área próxima da junção assuma uma carga negativa. Os elétrons que partem do material N fazem com que ele gere íons positivos.

Todo esse processo, por sua vez, faz com que o lado N da junção assuma uma carga líquida positiva. Esta criação de carga específica tende a forçar os elétrons e buracos restantes para longe da junção. Essa ação torna um tanto difícil para outros portadores de carga difundir através da junção. Como resultado, a carga aumenta ou o potencial de barreira emerge na junção.

Conforme mostrado na figura a seguir. O potencial de barreira resultante tem uma pequena bateria conectada na junção PN. Na figura dada, observe a polaridade desta barreira potencial em relação ao material P e N. Essa tensão ou potencial existirá quando o cristal não estiver conectado a uma fonte externa de energia.

O potencial de barreira do germânio é de aproximadamente 0,3 V e do silício é de 0,7 V. Esses valores não podem ser medidos diretamente e aparecem na região de carga espacial da junção. Para produzir a condução de corrente, o potencial de barreira de uma junção PN deve ser superado por uma fonte de tensão externa.

O termo polarização se refere à aplicação de tensão DC para configurar certas condições operacionais. Ou quando uma fonte externa de energia é aplicada a uma junção PN, é chamada de tensão de polarização ou simplesmente polarização. Este método aumenta ou diminui o potencial de barreira da junção. Como resultado, a redução do potencial de barreira faz com que os portadores atuais retornem à região de depleção. A seguir, duas condições de polarização são aplicadas nas junções PN.

• Forward Biasing - Uma tensão externa de mesma polaridade é adicionada ao potencial de barreira, o que causa um aumento na largura da região de depleção.

• Reverse Biasing - Uma junção PN é polarizada de tal forma que a aplicação da ação de tensão externa evita que os portadores de corrente entrem na região de depleção.

Polarização para frente

A figura a seguir mostra um diodo de junção PN polarizado direto com tensão externa aplicada. Você pode ver que o terminal positivo da bateria está conectado ao material P e o terminal negativo da bateria está conectado ao material N.

A seguir estão as observações -

• Esta tensão de polarização repele a maioria das portadoras de corrente de cada tipo de material P e N. Como resultado, um grande número de buracos e elétrons começam a aparecer na junção.

• No lado N da junção, os elétrons se movem para neutralizar os íons positivos na região de depleção.

• No material do lado P, os elétrons são arrastados dos íons negativos, o que os torna neutros novamente. Isso significa que a polarização direta colapsa a região de depleção e, portanto, o potencial de barreira também. Isso significa que quando a junção PN é polarizada para frente, ela permitirá um fluxo de corrente contínuo.

A figura a seguir mostra o fluxo de portadores de corrente de um diodo polarizado direto. Um suprimento constante de elétrons está disponível devido a uma fonte de tensão externa conectada ao diodo. O fluxo e a direção da corrente são mostrados por grandes setas fora do diodo no diagrama. Observe que o fluxo de elétrons e o fluxo de corrente referem-se à mesma coisa.

A seguir estão as observações -

• Suponha que os elétrons fluam através de um fio do terminal negativo da bateria para o material N. Ao entrar neste material, eles fluem imediatamente para o entroncamento.

• Da mesma forma, do outro lado, um número igual de elétrons é puxado do lado P e retornado ao terminal positivo da bateria. Esta ação cria novos orifícios e faz com que eles se movam em direção à junção.

• Quando esses buracos e elétrons alcançam a junção, eles se unem e efetivamente desaparecem. Como resultado, novos buracos e elétrons emergem nas extremidades externas do diodo. Essas operadoras majoritárias são criadas continuamente. Esta ação continua enquanto a fonte de tensão externa for aplicada.

• Quando o diodo é polarizado diretamente, pode-se notar que os elétrons fluem por toda a estrutura do diodo. Isso é comum no material do tipo N, enquanto no material P os buracos são os portadores de corrente móvel. Observe que o movimento do buraco em uma direção deve começar pelo movimento do elétron na direção oposta. Portanto, o fluxo total de corrente é a adição de buracos e o fluxo de elétrons através de um diodo.

Polarização reversa

A figura a seguir mostra o diodo de junção PN polarizado reverso com tensão externa aplicada. Você pode ver que o terminal positivo da bateria está conectado ao material N e o terminal negativo da bateria está conectado ao material P. Observe que, em tal arranjo, a polaridade da bateria deve se opor à polaridade do material do diodo para que cargas diferentes sejam atraídas. Conseqüentemente, os portadores de carga majoritários de cada material são arrastados para longe da junção. A polarização reversa torna o diodo não condutor.

A figura a seguir mostra o arranjo das portadoras de corrente majoritária em um diodo com polarização reversa.

A seguir estão as observações -

• Devido à ação do circuito, elétrons do material N são puxados em direção ao terminal positivo da bateria.

• Cada elétron que se move ou se afasta do diodo faz com que um íon positivo surja em seu lugar. Como resultado, isso causa um aumento equivalente na largura da região de depleção no lado N da junção.

• O lado P do diodo tem um efeito semelhante ao lado N. Nesta ação, vários elétrons deixam o terminal negativo da bateria e entram no material tipo P.

• Esses elétrons então se movem imediatamente e preenchem várias lacunas. Cada buraco ocupado então se torna um íon negativo. Esses íons, por sua vez, são repelidos pelo terminal negativo da bateria e direcionados para a junção. Devido a isso, há um aumento na largura da região de depleção do lado P da junção.

A largura total da região de depleção depende diretamente de uma fonte de tensão externa de um diodo com polarização reversa. Neste caso, o diodo não pode suportar eficientemente o fluxo de corrente através da ampla região de depleção. Como resultado, a carga potencial começa a se desenvolver através da junção e aumenta até que o potencial de barreira se iguale à tensão de polarização externa. Depois disso, o diodo se comporta como um não condutor.

Uma limitação de condução importante do diodo de junção PN é leakage current. Quando um diodo é polarizado reversamente, a largura da região de depleção aumenta. Geralmente, essa condição é necessária para restringir o acúmulo de portadora atual perto da junção. Os portadores de corrente majoritários são negados principalmente na região de depleção e, portanto, a região de depleção atua como um isolante. Normalmente, os portadores de corrente não passam por um isolador.

É visto que em um diodo com polarização reversa, alguma corrente flui através da região de depleção. Essa corrente é chamada de corrente de fuga. A corrente de fuga depende das operadoras de corrente minoritárias. Como sabemos que os portadores minoritários são elétrons no material tipo P e lacunas no material tipo N.

A figura a seguir mostra como as portadoras de corrente reagem quando um diodo é polarizado reversamente.

A seguir estão as observações -

• Portadores minoritários de cada material são empurrados através da zona de depleção até a junção. Esta ação faz com que ocorra uma corrente de fuga muito pequena. Geralmente, a corrente de fuga é tão pequena que pode ser considerada insignificante.

• Aqui, no caso de corrente de fuga, a temperatura desempenha um papel importante. As operadoras minoritárias são principalmente dependentes da temperatura.

• Em temperaturas ambientes de 25 ° C ou 78 ° F, há uma quantidade desprezível de portadores minoritários presentes em um diodo de polarização reversa.

• Quando a temperatura circundante aumenta, isso causa um aumento significativo na criação de portadores minoritários e, como resultado, causa um aumento correspondente na corrente de fuga.

Em todos os diodos de polarização reversa, a ocorrência de corrente de fuga é normal até certo ponto. Em diodos de germânio e silício, a corrente de fuga é apenas de poucosmicroamperes e nanoamperes, respectivamente. O germânio é muito mais suscetível à temperatura do que o silício. Por esse motivo, principalmente o silício é usado em dispositivos semicondutores modernos.

Existem diversas escalas de corrente para operações de polarização direta e reversa. A porção direta da curva indica que o diodo conduz simplesmente quando a região P é tornada positiva e a região N negativa.

O diodo quase não conduz corrente na direção de alta resistência, ou seja, quando a Pregion é tornada negativa e a região N é tornada positiva. Agora, os buracos e os elétrons são drenados para longe da junção, fazendo com que o potencial de barreira aumente. Essa condição é indicada pela parte da corrente reversa da curva.

A seção pontilhada da curva indica o ideal curve, que resultaria se não fosse por avalanche. A figura a seguir mostra a característica estática de um diodo de junção.

Características do DIODE IV

As características da tensão de corrente direta e reversa (IV) de um diodo são geralmente comparadas em uma única curva característica. A figura representada na seção Forward Characteristic mostra que Forward Voltage e Reverse Voltage são geralmente plotados na linha horizontal do gráfico.

Os valores de corrente direta e reversa são mostrados no eixo vertical do gráfico. A tensão direta representada à direita e a tensão reversa à esquerda. O ponto de início ou valor zero está no centro do gráfico. A corrente direta se alonga acima do eixo horizontal com a corrente reversa se estendendo para baixo.

Os valores combinados de tensão direta e corrente direta estão localizados na parte superior direita do gráfico e a tensão reversa e a corrente reversa no canto inferior esquerdo. Normalmente, escalas diferentes são usadas para exibir valores para frente e para trás.

Característica para frente

Quando um diodo é polarizado diretamente, ele conduz a corrente (IF) na direção direta. O valor de IF é diretamente dependente da quantidade de tensão direta. A relação entre a tensão direta e a corrente direta é chamada de ampere-volt, ou característica IV de um diodo. Uma característica típica de diodo direto IV é mostrada na figura a seguir.

A seguir estão as observações -

• A tensão direta é medida através do diodo e a corrente direta é uma medida da corrente através do diodo.

• Quando a tensão direta no diodo é igual a 0 V, a corrente direta (IF) é igual a 0 mA.

• Quando o valor começa do ponto inicial (0) do gráfico, se a VF for aumentada progressivamente em passos de 0,1 V, a IF começa a aumentar.

• Quando o valor de VF é grande o suficiente para superar o potencial de barreira da junção PN, ocorre um aumento considerável de FI. O ponto em que isso ocorre é frequentemente chamado de tensão do joelhoV_K. Para diodos de germânio,V_K é aproximadamente 0,3 V e 0,7 V para o silício.

• Se o valor de IF aumenta muito além V_K, a corrente direta torna-se bastante grande.

Esta operação faz com que o calor excessivo se desenvolva através da junção e pode destruir um diodo. Para evitar esta situação, um resistor de proteção é conectado em série com o diodo. Este resistor limita a corrente direta ao seu valor nominal máximo. Normalmente, um resistor limitador de corrente é usado quando os diodos são operados na direção direta.

Característica reversa

Quando um diodo é polarizado reversamente, ele conduz uma corrente reversa que geralmente é bem pequena. Uma característica típica de diodo reverso IV é mostrada na figura acima.

A linha de corrente reversa vertical neste gráfico tem valores de corrente expressos em microamperes. A quantidade de portadores minoritários que participam da condução da corrente reversa é muito pequena. Em geral, isso significa que a corrente reversa permanece constante em grande parte da tensão reversa. Quando a tensão reversa de um diodo é aumentada desde o início, há uma mudança muito leve na corrente reversa. No ponto de tensão de ruptura (VBR), a corrente aumenta muito rapidamente. A tensão através do diodo permanece razoavelmente constante neste momento.

Esta característica de tensão constante leva a uma série de aplicações de diodo sob condição de polarização reversa. Os processos que são responsáveis ​​pela condução de corrente em um diodo reverso são chamados deAvalanche breakdown e Zener breakdown.

Especificações de Diodo

Como qualquer outra seleção, a seleção de um diodo para uma aplicação específica deve ser considerada. O fabricante geralmente fornece esse tipo de informação. Especificações como tensão máxima e classificações de corrente, condições normais de operação, fatos mecânicos, identificação do cabo, procedimentos de montagem, etc.

A seguir estão algumas das especificações importantes -

• Maximum forward current (IFM) - A corrente direta repetitiva máxima absoluta que pode passar por um diodo.

• Maximum reverse voltage (VRM) - O máximo absoluto ou a tensão de polarização reversa de pico que pode ser aplicada a um diodo.

• Reverse breakdown voltage (VBR) - A tensão reversa de estado estacionário mínima na qual ocorrerá a quebra.

• Maximum forward surge current (IFM-surge)- A corrente máxima que pode ser tolerada por um curto intervalo de tempo. Este valor atual é muito maior do que IFM.

• Maximum reverse current (IR) - A corrente reversa máxima absoluta que pode ser tolerada na temperatura de operação do dispositivo.

• Forward voltage (VF) - Queda máxima de tensão direta para uma determinada corrente direta na temperatura de operação do dispositivo.

• Power dissipation (PD) - A potência máxima que o dispositivo pode absorver com segurança em uma base contínua ao ar livre a 25 ° C.

• Reverse recovery time (Trr) - O tempo máximo que o dispositivo leva para passar de status ligado para desligado.

Termos importantes

• Breakdown Voltage - É a tensão de polarização reversa mínima na qual a junção PN se quebra com o aumento repentino da corrente reversa.

• Knee Voltage - É a tensão direta na qual a corrente através da junção começa a aumentar rapidamente.

• Peak Inverse Voltage - É a tensão reversa máxima que pode ser aplicada na junção PN, sem danificá-la.

• Maximum Forward Rating - É a corrente direta instantânea mais alta que uma junção PN pode passar, sem danificá-la.

• Maximum Power Rating - É a potência máxima que pode ser dissipada da junção, sem danificar a junção.

Os diodos emissores de luz estão direta ou indiretamente influenciando nossas atividades do dia-a-dia. Do visor de mensagens às TVs de LED, em todos os lugares onde esses LEDs existem. É basicamente um diodo de junção PN que emite luz quando uma corrente direta pode passar por ele. A figura a seguir mostra o símbolo lógico de um LED.

Como um diodo de junção PN emite luz?

LEDs não são feitos de silício ou germânio e elementos como arseneto de gálio (GaAs) e fosfeto de gálio (GaP). Esses materiais são usados ​​deliberadamente porque emitem luz. Portanto, quando um LED é polarizado para frente, como de costume, os elétrons cruzam a junção e se unem em buracos.

Essa ação faz com que os elétrons da região do tipo N saiam da condução e retornem à banda de valência. Ao fazer isso, a energia possuída por cada elétron livre é então liberada. Uma parte da energia liberada emerge como calor e o resto é fornecido como energia de luz visível.

Se os LEDs forem feitos de silício e germânio, durante a recombinação de elétrons, toda a energia será dissipada apenas na forma de calor. Por outro lado, materiais como Arseneto de Gálio (GaAs) e Fosfeto de Gálio (GaP) possuem fótons suficientes para produzir luz visível.

• Se os LEDs são feitos de arseneto de gálio, eles produzem luz vermelha.
• Se os LEDs forem feitos de Fosfeto de Gálio, esses LEDs emitirão luz verde.

Agora considere dois LEDs conectados costas com costas através de uma fonte de alimentação de tensão externa, de forma que o ânodo de um LED seja conectado ao cátodo de outro LED ou vice-versa. Quando uma tensão externa é aplicada a este circuito, um LED irá operar por vez e devido a essa ação do circuito, ele emite uma luz diferente quando um LED for polarizado direto e o outro polarizado reverso ou vice-versa.

Vantagens dos LEDs

LEDs oferecem as seguintes vantagens -

• Muito pequeno em tamanho.
• Comutação muito rápida.
• Pode ser operado com tensão muito baixa.
• Uma expectativa de vida muito longa.
• O procedimento de construção permite a fabricação em diferentes formas e padrões.

Aplicações de LEDs

LEDs são usados ​​principalmente em displays numéricos, indicando os números de 0 a 9. Eles também são usados ​​em seven-segment display encontrados em medidores digitais, relógios, calculadoras, etc.

É um tipo específico de diodo semicondutor, feito para operar na região de ruptura reversa. A figura a seguir mostra a estrutura cristalina e o símbolo de um diodo Zener. É muito semelhante ao de um diodo convencional. No entanto, uma pequena modificação é feita para distingui-lo de um símbolo de um diodo regular. A linha dobrada indica a letra 'Z' do Zener.

A diferença mais significativa entre os diodos Zener e os diodos de junção PN regulares está no modo como são usados ​​nos circuitos. Esses diodos são normalmente operados apenas na direção de polarização reversa, o que implica que o ânodo deve ser conectado ao lado negativo da fonte de tensão e o cátodo ao positivo.

Se um diodo regular for usado da mesma forma que o diodo Zener, ele será destruído devido ao excesso de corrente. Esta propriedade torna o diodo Zener menos significativo.

A ilustração a seguir mostra um regulador com um diodo Zener.

O diodo Zener é conectado na direção de polarização reversa através da fonte de alimentação CC não regulada. É fortemente dopado, de modo que a tensão de ruptura reversa é reduzida. Isso resulta em uma camada de depleção muito fina. Devido a isso, o diodo Zener tem uma tensão de ruptura reversa agudaV_z.

De acordo com a ação do circuito, a ruptura ocorre abruptamente com um aumento repentino na corrente, conforme mostrado na figura a seguir.

Voltagem V_zpermanece constante com o aumento da corrente. Devido a esta propriedade, o diodo Zener é amplamente utilizado na regulação de tensão. Ele fornece tensão de saída quase constante, independentemente da mudança na corrente através do Zener. Assim, a tensão de carga permanece em um valor constante.

Podemos ver que em uma determinada tensão reversa conhecida como tensão de joelho, a corrente aumenta drasticamente com a tensão constante. Devido a esta propriedade, os diodos Zener são amplamente utilizados na estabilização de tensão.

Um fotodiodo é um diodo de junção PN que conduz corrente quando exposto à luz. Na verdade, esse diodo foi projetado para operar no modo de polarização reversa. Isso significa que quanto maior a intensidade da luz incidente, maior será a corrente de polarização reversa.

A figura a seguir mostra um símbolo esquemático e detalhes de construção de um foto diodo.

Funcionamento de um Photo Diode

É um reverse-biased diode. A corrente reversa aumenta conforme a intensidade da luz incidente aumenta. Isso significa que a corrente reversa é diretamente proporcional à intensidade da luz que cai.

Consiste em uma junção PN montada em um substrato tipo P e selada em uma caixa metálica. O ponto de junção é feito de lentes transparentes e é a janela por onde a luz deve cair.

Como sabemos, quando o diodo de junção PN é polarizado reversamente, uma quantidade muito pequena de corrente reversa flui. A corrente reversa é gerada termicamente por pares elétron-buraco na região de depleção do diodo.

Quando a luz incide na junção PN, ela é absorvida pela junção. Isso irá gerar mais pares elétron-buraco. Ou podemos dizer, caracteristicamente, a quantidade de aumento da corrente reversa.

Em outras palavras, conforme a intensidade da luz incidente aumenta, a resistência do diodo de junção PN diminui.

• Esta ação torna o diodo mais condutivo.
• Esses diodos têm tempo de resposta muito rápido
• Eles são usados ​​em dispositivos de alta computação.
• Também é usado em circuitos de alarme, contra-circuitos, etc.

Uma célula fotovoltaica básica consiste em um semicondutor do tipo n e um semicondutor do tipo p formando uma junção pn. A parte superior é extensa e transparente, geralmente exposta ao sol. Esses diodos ou células são excepcionais, pois geram uma voltagem quando expostos à luz. As células convertem a energia da luz diretamente em energia elétrica.

A figura a seguir mostra o symbol of photovoltaic cell.

Funcionamento de uma célula fotovoltaica

A construção de uma célula fotovoltaica é semelhante à de um diodo de junção PN. Não há fluxo de corrente através do dispositivo quando nenhuma luz é aplicada. Neste estado, a célula não será capaz de gerar corrente.

É essencial polarizar a célula adequadamente, o que requer uma boa quantidade de luz. Assim que a luz é aplicada, um notável estado do diodo de junção PN pode ser observado. Como resultado, os elétrons adquirem energia suficiente e se separam dos átomos pais. Esses pares elétron-lacuna recém-gerados na região de depleção cruzam a junção.

Nessa ação, os elétrons se movem para o material do tipo N devido à sua concentração normal de íons positivos. Da mesma forma, os buracos penetram no material do tipo P devido ao seu conteúdo de negativa. Isso faz com que o material do tipo N assuma instantaneamente uma carga negativa e o material P assuma uma carga positiva. A junção PN então fornece uma pequena tensão como resposta.

Características de uma célula fotovoltaica

A figura a seguir à esquerda, mostra uma das características, um gráfico entre a corrente reversa (I _R ) e a iluminação (E) de um foto diodo. O IR é medido no eixo vertical e a iluminação é medida no eixo horizontal. O gráfico é uma linha reta passando pela posição zero.

ou seja, I _R = mE

m = inclinação da linha reta do gráfico

O parâmetro m é a sensibilidade do diodo.

A figura à direita mostra outra característica do fotodíodo, um gráfico entre a corrente reversa (I _R ) e a tensão reversa de um fotodíodo. É claro no gráfico que, para uma dada tensão reversa, a corrente reversa aumenta à medida que a iluminação aumenta na junção PN.

Essas células geralmente fornecem energia elétrica para um dispositivo de carga quando a luz é aplicada. Se uma tensão maior for necessária, o conjunto dessas células é usado para fornecer a mesma. Por esse motivo, as células fotovoltaicas são usadas em aplicações onde altos níveis de energia luminosa estão disponíveis.

Este é um diodo de junção PN especial com uma concentração inconsistente de impurezas em seus materiais PN. Em um diodo de junção PN normal, as impurezas de dopagem são geralmente dispersas igualmente por todo o material. Díodo varator dopado com uma quantidade muito pequena de impurezas perto da junção e aumenta a concentração de impurezas afastando-se da junção.

No diodo de junção convencional, a região de depleção é uma área que separa o material P e N. A região de depleção é desenvolvida no início, quando a junção é inicialmente formada. Não há portadores de corrente nesta região e, portanto, a região de depleção atua como um meio dielétrico ou isolante.

O material tipo P com buracos como portadores majoritários e o material tipo N com elétrons como portadores majoritários agora agem como placas carregadas. Assim, o diodo pode ser considerado como um capacitor com placas carregadas opostas do tipo N e P e a região de depleção atua como dielétrico. Como sabemos, os materiais P e N, sendo semicondutores, são separados por um isolador de região de depleção.

Os diodos que são projetados para responder ao efeito da capacitância sob polarização reversa são chamados varactors, varicap diodes, ou voltage-variable capacitors.

A figura a seguir mostra o símbolo do diodo Varactor.

Os diodos Varactor são normalmente operados na condição de polarização reversa. Quando a polarização reversa aumenta, a largura da região de depleção também aumenta, resultando em menos capacitância. Isso significa que quando a polarização reversa diminui, um aumento correspondente na capacitância pode ser visto. Assim, a capacitância do diodo varia inversamente proporcional à tensão de polarização. Normalmente, isso não é linear. É operado entre zero e a tensão de ruptura reversa.

A capacitância do diodo Varactor é expressa como -

$$ C_T = E \ frac {A} {W_d} $$

• C_T = Capacitância total da junção

• E = Permissividade do material semicondutor

• A = Área da seção transversal da junção

• W_d = Largura da camada de depleção

Esses diodos são variáveis ​​usados ​​em aplicações de microondas. Diodos varator também são usados ​​em circuitos ressonantes onde algum nível de ajuste de tensão ou controle de frequência é necessário. Este diodo também é empregado no Controle Automático de Freqüência (AFC) em receptores de rádio FM e televisão.

Os transistores bipolares são formados principalmente por duas camadas de material semicondutor do tipo oposto, conectadas costas com costas. O tipo de impureza adicionado ao silício ou germânio decide a polaridade quando ele é formado.

NPN Transistor

Um transistor NPN é composto de dois materiais do tipo N separados por uma fina camada de material semicondutor do tipo P. A estrutura cristalina e o símbolo esquemático do transistor NPN são mostrados na figura acima.

Existem três ligações retiradas de cada tipo de material reconhecido como o emitter, base, e collector. No símbolo, quando a ponta da seta do emissor é direcionada para fora da base, indica que o dispositivo é do tipo NPN.

Transistor PNP

Um transistor PNP é composto de dois materiais do tipo P separados por uma fina camada de material semicondutor do tipo N. A estrutura cristalina e o símbolo esquemático de um transistor PNP são mostrados abaixo.

No símbolo, quando a ponta da seta do emissor é direcionada para dentro em direção à base, indica que o dispositivo é do tipo PNP.

A seguir estão algumas técnicas de fabricação usadas na construção de um transistor -

Tipo de Difusão

Neste método, o wafer de semicondutor é submetido a alguma difusão gasosa de impurezas do tipo N e do tipo P para formar junções de emissor e coletor. Primeiro, a junção base-coletor é determinada e fotocondicionada logo antes da difusão da base. Posteriormente, o emissor é difundido na base. Os transistores fabricados por esta técnica têm uma melhor figura de ruído e melhora no ganho de corrente também é vista.

Tipo Crescido

É formado pela extração de um único cristal de silício ou germânio derretido. A concentração necessária de impureza é adicionada durante a operação de extração do cristal.

Tipo Epitaxial

Uma camada de cristal único fina e de altíssima pureza de silício ou germânio é cultivada em um substrato fortemente dopado do mesmo tipo. Esta versão melhorada do cristal forma o coletor no qual as junções do emissor e da base são formadas.

Tipo Liga

Neste método, a seção de base é feita de uma fatia fina de material tipo N. Nos lados opostos da fatia, dois pequenos pontos de índio são fixados e a formação completa é mantida em alta temperatura por menos tempo. A temperatura estaria acima da temperatura de fusão do índio e abaixo do germânio. Esta técnica também é conhecida como construção fundida.

Tipo de ataque eletroquímico

Neste método, nos lados opostos de uma pastilha semicondutora, a depressão é gravada a fim de reduzir a largura da região de base. Em seguida, um metal adequado é galvanizado na área das depressões para formar as junções do emissor e do coletor.

Os transistores têm três seções, a saber - o emitter, a base, e as collector.

• o base é muito mais fino que o emissor e o coletor é comparativamente mais largo do que ambos.

• o emitter é fortemente dopado para que possa injetar um grande número de portadores de carga para a condução de corrente.

• A base passa a maioria dos portadores de carga para o coletor, pois é comparativamente levemente dopada do que o emissor e o coletor.

Para um funcionamento adequado do transistor, a região da base do emissor deve ser polarizada para frente e a região da base do coletor deve ser polarizada reversamente.

Em circuitos semicondutores, a tensão da fonte é chamada de tensão de polarização. Para funcionar, os transistores bipolares devem ter ambas as junções polarizadas. Essa condição faz com que uma corrente flua pelo circuito. A região de depleção do dispositivo é reduzida e a maioria dos portadores de corrente são injetados na junção. Uma das junções de um transistor deve ter polarização direta e a outra deve ser polarizada reversamente quando operar.

Funcionamento do transistor NPN

Conforme mostrado na figura acima, o emissor para a junção de base é polarizado direto e o coletor para a junção de base é polarizado reversamente. A polarização direta no emissor para a junção de base faz com que os elétrons fluam do emissor do tipo N em direção à polarização. Esta condição formula a corrente do emissor (I _E ).

Ao cruzar o material tipo P, os elétrons tendem a se combinar com buracos, geralmente muito poucos, e constituem a corrente de base (I _B ). O resto dos elétrons cruzam a região de depleção delgada e alcançam a região do coletor. Esta corrente constitui a corrente de coletor (I _C ).

Em outras palavras, a corrente do emissor realmente flui através do circuito coletor. Portanto, pode-se considerar que a corrente do emissor é a soma da corrente de base e do coletor. Pode ser expresso como,

I _E = I _B + I _C

Funcionamento do transistor PNP

Conforme mostrado na figura a seguir, o emissor para a junção de base é polarizado direto e o coletor para a junção de base é polarizado reversamente. A polarização direta no emissor para a junção da base faz com que os orifícios fluam do emissor do tipo P em direção à polarização. Esta condição formula a corrente do emissor (I _E ).

Ao cruzar o material tipo N, os elétrons tendem a se combinar com os elétrons, geralmente muito poucos, e constituem a corrente de base (I _B ). O restante dos orifícios cruza a região de depleção delgada e atinge a região do coletor. Esta corrente constitui a corrente de coletor (I _C ).

Em outras palavras, a corrente do emissor realmente flui através do circuito coletor. Portanto, pode-se considerar que a corrente do emissor é a soma da corrente de base e do coletor. Pode ser expresso como,

I _E = I _B + I _C

Quando um transistor é conectado a um circuito, quatro terminais ou cabos ou pernas são necessários, dois para entrada e saída. Como sabemos que os transistores têm apenas 3 terminais, esta situação pode ser superada tornando um dos terminais comum para a seção de entrada e saída. Consequentemente, um transistor pode ser conectado em três configurações da seguinte forma -

• Configuração de base comum
• Configuração de Emissor Comum
• Configuração de coletor comum

A seguir estão alguns pontos importantes a serem observados sobre a operação do transistor.

• Um transistor pode ser operado em três regiões: ativa, saturação e região de corte.

• Um transistor, quando usado na região ativa, a junção base-emissor tem polarização direta e a junção coletor-base é polarizada reversamente.

• Um transistor, quando usado na região de saturação, a junção base-emissor é polarizada direta e a junção coletor-base também é polarizada direta.

• Um transistor, quando usado na região de corte, tanto a junção base-emissor quanto a junção base-coletor são polarizadas reversamente.

Comparação da configuração do transistor

A tabela a seguir mostra a comparação da configuração do transistor.

Características	Emissor Comum	Base Comum	Colecionador Comum
Ganho Atual	Alto	Não	Considerável
Formulários	Freqüência de áudio	Alta frequência	Impedância
Resistência de entrada	Baixo	Baixo	Muito alto
Resistência de saída	Alto	Muito alto	Baixo
Ganho de tensão	Aproximadamente. 500	Aproximadamente. 150	Menos de 1

Vantagens e desvantagens dos transistores

A tabela a seguir lista as vantagens e desvantagens dos transistores.

Vantagens	Desvantagens
Baixa tensão da fonte	Dependência de temperatura
Ganho de alta tensão	Baixa dissipação de energia
Menor em tamanho	Baixa impedância de entrada

Fator de Amplificação Atual (α)

A proporção de mudança na corrente do coletor para a mudança na corrente do emissor no coletor constante para a tensão de base V_cb é conhecido como fator de amplificação de corrente ‘α’. Pode ser expresso como

$ \ alpha = \ frac {\ Delta I_C} {\ Delta I_B} $ na Constante V _CB

É claro que o fator de amplificação da corrente é menor que a unidade e é inversamente proporcional à corrente de base considerada que a base é levemente dopada e fina.

Fator de Amplificação de Corrente Básica (β)

É a proporção da mudança na corrente do coletor para a mudança na corrente de base. Uma pequena variação na corrente de base resulta em uma mudança muito grande na corrente do coletor. Portanto, o transistor é capaz de obter ganho de corrente. Pode ser expresso como

$$ \ beta = \ frac {\ Delta I_C} {\ Delta I_B} $$

Transistor como um amplificador

A figura a seguir mostra que um resistor de carga (R _L ) está em série com a tensão de alimentação do coletor (V _cc ). Uma pequena mudança de voltagemΔV_i entre o emissor e a base causa uma mudança relativamente grande da corrente do emissor ΔI_E.

Definimos pelo símbolo 'a' - a fração desta mudança atual - que é coletada e passa por R_L. A mudança na tensão de saída através do resistor de cargaΔV_o = a’RL ΔI_Epode ser muitas vezes a mudança na tensão de entrada AV _I . Nessas circunstâncias, a amplificação de voltagemA == V_O/ΔV_I será maior do que a unidade e o transistor atua como um amplificador.

Um Transistor de efeito de campo (FET) é um dispositivo semicondutor de três terminais. Seu funcionamento é baseado em uma tensão de entrada controlada. Pela aparência, o JFET e os transistores bipolares são muito semelhantes. No entanto, o BJT é um dispositivo controlado por corrente e o JFET é controlado pela tensão de entrada. Mais comumente, dois tipos de FETs estão disponíveis.

• Transistor de efeito de campo de junção (JFET)
• FET de semicondutor de óxido de metal (IGFET)

Transistor de efeito de campo de junção

O funcionamento do transistor de efeito de campo de junção depende apenas do fluxo da maioria dos portadores (elétrons ou lacunas). Basicamente, os JFETs consistem em umN digite ou Ptipo barra de silicone contendo junções PN nas laterais. A seguir estão alguns pontos importantes a serem lembrados sobre o FET -

• Gate- Usando difusão ou técnica de liga, ambos os lados da barra tipo N são fortemente dopados para criar a junção PN. Essas regiões dopadas são chamadas de porta (G).

• Source - É o ponto de entrada para as operadoras majoritárias por meio das quais entram na barra semicondutora.

• Drain - É o ponto de saída das operadoras majoritárias por onde saem da barra semicondutora.

• Channel - É a área de material tipo N através da qual os portadores majoritários passam da fonte ao dreno.

Existem dois tipos de JFETs comumente usados ​​nos dispositivos semicondutores de campo: N-Channel JFET e P-Channel JFET.

JFET N-Channel

Possui uma fina camada de material do tipo N formada sobre o substrato do tipo P. A figura a seguir mostra a estrutura cristalina e o símbolo esquemático de um JFET de canal N. Em seguida, a porta é formada no topo do canal N com material tipo P. No final do canal e da porta, os fios condutores são conectados e o substrato não tem conexão.

Quando uma fonte de tensão DC é conectada à fonte e aos cabos de drenagem de um JFET, a corrente máxima fluirá pelo canal. A mesma quantidade de corrente fluirá da fonte e dos terminais de drenagem. A quantidade de fluxo de corrente do canal será determinada pelo valor de V _DD e a resistência interna do canal.

Um valor típico de resistência de dreno de fonte de um JFET é algumas centenas de ohms. É claro que mesmo quando a porta está aberta, a condução de corrente total ocorrerá no canal. Essencialmente, a quantidade de tensão de polarização aplicada no ID controla o fluxo de portadores de corrente que passam pelo canal de um JFET. Com uma pequena mudança na tensão da porta, o JFET pode ser controlado em qualquer lugar entre a condução total e o estado de corte.

JFETs P-Channel

Possui uma fina camada de material tipo P formada no substrato tipo N. A figura a seguir mostra a estrutura cristalina e o símbolo esquemático de um JFET de canal N. A porta é formada no topo do canal P com material tipo N. No final do canal e da porta, os fios condutores são conectados. O resto dos detalhes de construção são semelhantes aos do canal N JFET.

Normalmente, para operação geral, o terminal do gate torna-se positivo em relação ao terminal da fonte. O tamanho da camada de depleção da junção PN depende das flutuações nos valores da tensão da porta polarizada reversa. Com uma pequena mudança na tensão da porta, o JFET pode ser controlado em qualquer lugar entre a condução total e o estado de corte.

Características de saída do JFET

As características de saída do JFET são desenhadas entre a corrente de dreno (I _D ) e a tensão da fonte de drenagem (V _DS ) na tensão de porta constante (V _GS ), conforme mostrado na figura a seguir.

Inicialmente, a corrente de dreno (I _D ) aumenta rapidamente com a tensão da fonte de dreno (V _DS ), entretanto, repentinamente torna-se constante em uma tensão conhecida como tensão de pinch-off (V _P ). Acima da tensão de corte, a largura do canal se torna tão estreita que permite que uma corrente de drenagem muito pequena passe por ele. Portanto, a corrente de drenagem (I _D ) permanece constante acima da tensão de compressão.

Parâmetros de JFET

Os principais parâmetros do JFET são -

• Resistência de dreno AC (Rd)
• Transconductance
• Fator de amplificação

AC drain resistance (R_d)- É a razão da mudança na tensão da fonte de dreno (ΔV _DS ) para a mudança na corrente de dreno (ΔI _D ) em tensão de porta-fonte constante. Pode ser expresso como,

R _d = (ΔV _DS ) / (ΔI _D ) em Const V _GS

Transconductance (g_fs)- É a razão da mudança na corrente de dreno (ΔI _D ) para a mudança na tensão da fonte da porta (ΔV _GS ) em tensão constante de dreno-fonte. Pode ser expresso como,

g _fs = (ΔI _D ) / (ΔV _GS ) em V _DS constante

Amplification Factor (u)- É a razão da mudança na tensão da fonte de drenagem (ΔV _DS ) para a mudança na tensão da fonte da porta (ΔV _GS ) corrente de drenagem constante (ΔI _D ). Pode ser expresso como,

u = (ΔV _DS ) / (ΔV _GS ) na constante I _D

Existem dois métodos em uso para polarizar o JFET: Método de Auto-polarização e Método do Divisor de Potencial. Neste capítulo, discutiremos esses dois métodos em detalhes.

Método de auto-preconceito

A figura a seguir mostra o método de polarização automática do JFET de canal n. A corrente de drenagem flui atravésR_se produz a tensão de polarização necessária. Portanto,R_s é o resistor de polarização.

Portanto, a tensão através do resistor de polarização,

$$ V_s = I_ {DRS} $$

Como sabemos, a corrente da porta é desprezivelmente pequena, o terminal da porta está no aterramento CC, V _G = 0,

$$ V_ {GS} = V_G - V_s = 0 - I_ {DRS} $$

Ou $ V_ {GS} = -I_ {DRS} $

V _GS mantém a porta negativa em relação à fonte.

Método do divisor de tensão

A figura a seguir mostra o método do divisor de tensão para polarizar os JFETs. Aqui, os resistores R ₁ e R ₂ formam um circuito divisor de tensão através da tensão de alimentação do dreno (V _DD ), e é mais ou menos idêntico ao usado na polarização do transistor.

A tensão em R ₂ fornece polarização necessária -

$$ V_2 = V_G = \ frac {V_ {DD}} {R_1 + R_2} \ vezes R_2 $$

$ = V_2 + V_ {GS} + I_D + R_S $

Ou $ V_ {GS} = V_2 - I_ {DRS} $

O circuito é projetado de forma que V _GS seja sempre negativo. O ponto operacional pode ser encontrado usando a seguinte fórmula -

$$ I_D = \ frac {V_2 - V_ {GS}} {R_S} $$

e $ V_ {DS} = V_ {DD} - I_D (R_D + R_S) $

Metal-oxide semiconductor field-effect transistors, também conhecidos como MOSFETs, têm maior importância e são uma nova adição à família FET.

Ele tem um substrato do tipo P levemente dopado no qual duas zonas do tipo N altamente dopadas são difundidas. Uma característica única deste dispositivo é a construção do portão. Aqui, o portão está completamente isolado do canal. Quando a tensão é aplicada à porta, ela desenvolverá uma carga eletrostática.

Neste ponto, nenhuma corrente pode fluir na região da porta do dispositivo. Além disso, o portão é uma área do dispositivo, que é revestida de metal. Geralmente, o dióxido de silício é usado como material isolante entre a porta e o canal. Por esse motivo, também é conhecido comoinsulated gate FET. Existem dois MOSFETS amplamente utilizados: i) MOSFET de depleção ii) MOSFET de aprimoramento.

D MOSFET

As figuras a seguir mostram o D-MOSFET do canal n e o símbolo. A porta forma um capacitor com porta como uma placa, e a outra placa é o canal com camada de SiO ₂ como dielétrico. Quando a tensão da porta varia, o campo elétrico do capacitor muda, o que por sua vez varia a resistência do canal n.

Nesse caso, podemos aplicar tensão positiva ou negativa à porta. Quando o MOSFET é operado com tensão de porta negativa, é chamado de modo de esgotamento e quando operado com tensão de porta positiva é chamado de modo de aprimoramento de operação do MOSFET.

Modo de esgotamento

A figura a seguir mostra um D-MOSFET de canal n no modo de operação de depleção.

Seu funcionamento é o seguinte -

• A maioria dos elétrons está disponível no portão, pois o portão é negativo e repele os elétrons de n canal.

• Essa ação deixa íons positivos na parte do canal. Em outras palavras, alguns dos elétrons livres doncanal estão esgotados. Como resultado, menos número de elétrons estão disponíveis para a condução de corrente através don canal.

• Quanto maior a tensão negativa na porta, menor é a corrente da fonte para o dreno. Assim, podemos alterar a resistência do canal n e a corrente da fonte ao dreno variando a tensão negativa na porta.

Modo de Melhoria

A figura a seguir mostra um canal D MOSFET no modo de operação aprimorado. Aqui, o portão atua como um capacitor. No entanto, neste caso, a porta é positiva. Provoca os elétrons non canal e o número de elétrons aumenta no n canal.

Uma tensão de porta positiva aumenta ou aumenta a condutividade do canal. Quanto maior a voltagem positiva na porta, maior a condução da fonte para o dreno.

Assim, podemos alterar a resistência do canal n e a corrente da fonte ao dreno variando a tensão positiva na porta.

Características de transferência de D - MOSFET

A figura a seguir mostra as características de transferência do D-MOSFET.

Quando V _GS fica negativo, I _D cai abaixo do valor de I _DSS , até chegar a zero e V _GS = V _GS (desligado) (modo de esgotamento). Quando V _GS é zero, I _D = I _DSS porque a porta e os terminais da fonte estão em curto. I _D aumenta acima do valor de I _DSS , quando V _GS é positivo e o MOSFET está no modo de realce.

Um amplificador operacional, ou op-amp, é um amplificador diferencial de ganho muito alto com alta impedância de entrada e baixa impedância de saída. Amplificadores operacionais são normalmente usados ​​para fornecer mudanças de amplitude de tensão, osciladores, circuitos de filtro, etc. Um amplificador operacional pode conter vários estágios de amplificador diferencial para atingir um ganho de tensão muito alto.

Este é um amplificador diferencial de alto ganho usando acoplamento direto entre a saída e a entrada. Isso é adequado para operações DC e AC. Os amplificadores operacionais executam várias funções eletrônicas, como dispositivos de instrumentação, geradores de sinal, filtros ativos, etc., além de várias operações matemáticas. Este dispositivo versátil também é usado em muitas aplicações não lineares, como comparadores de tensão, conversores analógico-digital e conversores digital-analógico, amplificadores logarítmicos, geradores de função não linear, etc.

Amplificador diferencial básico

A ilustração a seguir mostra um amplificador diferencial básico -

Na figura acima -

• V_DI = entrada diferencial

• V_DI= V ₁ - V ₂

• V_DO = saída diferencial

• V_DO= V _C1 - V _C2

Este amplificador amplifica a diferença entre os dois sinais de entrada, V ₁ e V ₂ .

Ganho de tensão diferencial,

$$ A_d = \ frac {V_ {DO}} {V_ {DI}} $$

e

$$ A_d = \ frac {(V_ {C1} - V_ {C2})} {V_ {DI}} $$

Conforme mostrado na figura a seguir, o amplificador operacional básico consiste em três estágios -

Estágio de entrada

Esta é a primeira etapa e possui as seguintes características.

• CMR alto (rejeição de modo comum)
• Alta impedância de entrada
• Largura de banda larga
• Offset de entrada baixa (DC)

Estas são algumas características significativas para o desempenho do amplificador operacional. Este estágio consiste em um estágio de amplificador diferencial e um transistor é polarizado para atuar como uma fonte de corrente constante. A fonte de corrente constante aumenta muito o CMR do amplificador diferencial.

A seguir estão as duas entradas para o amplificador diferencial -

• V ₁ = entrada não inversora
• V ₂ = Entrada de inversão

Estágio intermediário

Este é o segundo estágio e projetado para obter melhores ganhos de tensão e corrente. O ganho de corrente é necessário para fornecer corrente suficiente para conduzir o estágio de saída, onde a maior parte da potência do amplificador operacional é gerada. Este estágio consiste em um ou mais amplificadores diferenciais seguidos por um seguidor de emissor e um estágio de mudança de nível DC. O circuito de mudança de nível permite que um amplificador tenha duas entradas diferenciais com uma única saída.

V out = + ve	quando V 1 > V 2
V out = -ve	quando V 2 <V 1
V out = 0	quando V 1 = V 2

Estágio de Saída

Este é o último estágio do amplificador operacional e é projetado para ter baixa impedância de saída. Isso fornece a corrente necessária para conduzir a carga. Mais ou menos corrente será retirada do estágio de saída conforme e quando a carga varia. Portanto, é essencial que o estágio anterior opere sem ser influenciado pela carga de saída. Este requisito é atendido ao projetar este estágio de forma a ter alta impedância de entrada e alto ganho de corrente, porém com baixa impedância de saída.

O amplificador operacional tem duas entradas: Non-inverting input e Inverting input.

A figura acima mostra o tipo inverso de amplificador operacional. Um sinal que é aplicado no terminal de entrada inversor é amplificado, mas o sinal de saída está defasado com o sinal de entrada em 180 graus. Um sinal aplicado no terminal de entrada não inversor é amplificado e o sinal de saída está em fase com o sinal de entrada.

O amplificador operacional pode ser conectado em um grande número de circuitos para fornecer várias características operacionais.

Amplificador de inversão

A figura a seguir mostra um amplificador inversor. O sinal de entrada é amplificado e invertido. Este é o circuito amplificador de ganho constante mais usado.

V _o = -R _f .V _in / R ₁

Ganho de tensão A = (-R _f / R ₁ )

Amplificador não inversor

A figura a seguir mostra um circuito amplificador operacional que funciona como um amplificador não-inversor ou multiplicador de ganho constante e tem melhor estabilidade de frequência.

O sinal de entrada é amplificado, mas não invertido.

Saída V _o = [(R ₁ + R _f ) / R ₁ ] V ₁

Ganho de tensão A = (R ₁ + R _f ) / R ₁

Amplificador somador inversor

A figura a seguir mostra um amplificador somador inversor. É o circuito mais usado do op-amp. O circuito mostra um amplificador somador de três entradas, que fornece um meio de somar algebricamente três tensões, cada uma multiplicada por um fator de ganho constante. A tensão de saída é expressa como,

V _o = [(-R ₄ / R ₁ ) V ₁ ] [(- R ₄ / R ₂ ) V ₂ ] [(- R ₄ / R ₃ ) V ₃ ]

V _o = -R ₄ (V ₁ / R ₁ + V ₂ / R ₂ + V ₃ / R ₃ )

Se, R ₁ = R ₂ = R ₃ = R ₄ = R & R _s = R / 3

V _o = - (V ₁ + V ₂ + V ₃ )

A figura a seguir mostra que o componente de feedback usado é um capacitor e a conexão resultante é chamada de integrador.

O equivalente de terra virtual mostra que uma expressão para a tensão entre a entrada e a saída pode ser derivada em termos da corrente (I), da entrada para a saída. Lembre-se de que o aterramento virtual significa que podemos considerar a tensão na junção de R e X _C como aterrada (uma vez que V _i ≈ 0 V), entretanto, nenhuma corrente vai para o aterramento naquele ponto. A impedância capacitiva pode ser expressa como

$$ X_C = \ frac {1} {jwC} = \ frac {1} {sC} $$

Onde s= jw como na notação de Laplace. Resolver a equação para $ V_o / V_i $ resulta na seguinte equação

$$ I = \ frac {V_1} {R_1} = \ frac {-V_0} {X_c} = \ frac {- \ frac {V_0} {I}} {sC} = \ frac {V_0} {V_1} $$

$$ \ frac {V_0} {V_1} = \ frac {-1} {sCR_1} $$

Pode ser escrito no domínio do tempo como

$$ V_o (t) = - \ frac {1} {RC} \ int V_1 (t) dt $$

Um circuito diferenciador é mostrado na figura a seguir.

O diferenciador fornece uma operação útil, a relação resultante para o circuito sendo

V _o (t) = RC (dv1 (t) / dt

A seguir estão alguns parâmetros importantes do amplificador operacional -

Ganho de tensão de loop aberto (AVOL)

O ganho de tensão de loop aberto de um amplificador operacional é seu ganho diferencial sob condições onde nenhum feedback negativo é usado. AVOL varia de 74 db a 100 db.

AVOL = [V _O / (V ₁ - V ₂ )]

Tensão de compensação de saída (VOO)

A tensão de deslocamento de saída de um amplificador operacional é sua tensão de saída quando sua tensão de entrada diferencial é zero.

Rejeição de modo comum (CMR)

Se ambas as entradas estiverem com o mesmo potencial, causando a entrada diferencial zero, e se a saída for zero, o amplificador operacional é considerado como tendo uma boa rejeição de modo comum.

Ganho de modo comum (AC)

O ganho de modo comum de um amplificador operacional é a relação entre a tensão de saída do modo comum e a tensão de entrada do modo comum.

Ganho Diferencial (AD)

O ganho diferencial de um amplificador operacional é a relação entre a saída e a entrada diferencial.

Ad = [V _O / (V ₁ ) - V ₂ ]

Taxa de rejeição de modo comum (CMRR)

O CMRR de um amplificador operacional é definido como a relação entre o ganho diferencial de malha fechada e o ganho do modo comum.

CMRR = Ad / AC

Taxa de variação (SR)

A taxa de variação é a taxa de alteração da tensão de saída causada por uma tensão de entrada em degrau. Uma taxa de variação ideal é infinita, o que significa que a saída do amplificador operacional deve mudar instantaneamente em resposta a uma tensão de passo de entrada.

Já discutimos algumas aplicações do amplificador operacional, como diferenciador, integrador, amplificador somador, etc. Algumas outras aplicações comuns de amplificadores operacionais são -

• Amplificador logarítmico
• Gyrator (simulador de indutância)
• Seguidor de tensão DC e AC
• Conversor analógico para digital
• Conversor digital para analógico
• Fontes de alimentação para proteção contra sobretensão
• Indicador de polaridade
• Seguidor de tensão
• Filtros ativos

Um oscilador é um circuito eletrônico que gera oscilações sinusoidais conhecidas como sinusoidal oscillator. Ele converte a energia de entrada de uma fonte CC em energia de saída CA de forma de onda periódica, em uma frequência específica e com amplitude conhecida. A característica do oscilador é que ele mantém sua saída CA.

A figura a seguir mostra um amplificador com sinal de feedback, mesmo na ausência de um sinal de entrada aplicado externamente. Um oscilador sinusoidal é essencialmente uma forma de amplificador de feedback, onde requisitos especiais são colocados no ganho de tensãoA_v e as redes de feedback β.

Considere o amplificador de feedback da figura acima, onde a tensão de feedback V _f = βV _O fornece toda a tensão de entrada

$ V_i = V_f = \ beta V_0 = A_V \ beta V_i $ (1)

$ V_i = A_V \ beta V_i $ Ou $ (1 - A_V \ beta) V_i = 0 $ (2)

Se uma tensão de saída for produzida, a tensão de entrada não pode ser zero. Portanto, para que V _i exista, a Equação (2) requer que

$ (1 - A_V \ beta) = 0 $ Ou $ A_V \ beta = 1 $ (3)

Equação (3) é conhecida como “Barkhausen criterion”, que estabelece dois requisitos básicos para oscilação -

• O ganho de tensão em torno do amplificador e do loop de feedback, chamado de ganho do loop, deve ser unitário ou $ A_V \ beta = 1 $.

• O deslocamento de fase entre $ V_i $ e $ V_f $, denominado deslocamento de fase do loop, deve ser zero.

Se essas duas condições forem satisfeitas, o amplificador de feedback da figura acima irá gerar uma forma de onda de saída senoidal de forma consistente.

Vamos agora discutir em detalhes sobre alguns circuitos osciladores típicos.

Oscilador de mudança de fase

Um circuito oscilador que segue o progresso fundamental de um circuito de feedback é o oscilador de deslocamento de fase. Um oscilador de deslocamento de fase é mostrado na figura a seguir. Os requisitos para oscilação são que o ganho da malha (βA) deve ser maior que a unidade e o deslocamento de fase entre a entrada e a saída deve ser 360 ^o .

O feedback é fornecido da saída da rede RC de volta para a entrada do amplificador. O estágio do amplificador op-amp fornece uma mudança inicial de 180 graus e a rede RC introduz uma quantidade adicional de mudança de fase. Em uma frequência específica, a mudança de fase introduzida pela rede é exatamente 180 graus, então o loop será de 360 ​​graus e a tensão de feedback está na tensão de entrada de fase.

O número mínimo de estágios RC na rede de feedback é três, pois cada seção fornece 60 graus de mudança de fase. O oscilador RC é ideal para a faixa de frequências de áudio, de alguns ciclos a aproximadamente 100 KHz. Nas frequências mais altas, a impedância da rede torna-se tão baixa que pode carregar seriamente o amplificador, reduzindo assim o ganho de tensão abaixo do valor mínimo exigido, e as oscilações cessarão.

Em baixas frequências, o efeito de carregamento geralmente não é um problema e os grandes valores de resistência e capacitância necessários estão prontamente disponíveis. Usando a análise de rede básica, a oscilação de frequência pode ser expressa como

$$ f = \ frac {1} {2 \ pi RC \ sqrt {6}} $$

Oscilador da ponte Wien

Um circuito oscilador prático usa um amplificador operacional e circuito de ponte RC, com a frequência do oscilador definida pelo R e Ccomponentes. A figura a seguir mostra uma versão básica de um circuito oscilador de ponte de Wien.

Observe a conexão de ponte básica. Os resistores R ₁ e R ₂ e os capacitores C ₁ e C ₂ formam os elementos de ajuste de frequência, enquanto os resistores R ₃ e R ₄ fazem parte do caminho de feedback.

Nesta aplicação, a tensão de entrada (V _i ) para a ponte é a tensão de saída do amplificador e a tensão de saída (V _o ) da ponte é o feedback para a entrada do amplificador. Negligenciando os efeitos de carregamento das impedâncias de entrada e saída do amplificador operacional, a análise do circuito de ponte resulta em

$$ \ frac {R_3} {R_4} = \ frac {R_1} {R_2} + \ frac {C_2} {C_1} $$

e

$$ f = \ frac {1} {2 \ pi \ sqrt {R_1C_1R_2C_2}} $$

Se R ₁ = R ₂ = R e C ₁ = C ₂ = C, a frequência do oscilador resultante é

$$ f_o = \ frac {1} {2 \ pi RC} $$

Hartley Oscillator

A figura a seguir mostra o oscilador Hartley. É um dos circuitos de RF mais comuns. Normalmente é usado como o oscilador local em um receptor de transmissão de comunicação. O transistor de junção bipolar na conexão emissora comum é o amplificador de tensão e é polarizada por um circuito de polarização universal consistindo de R ₁ , R ₂ , R _E . O capacitor de bypass do emissor (C _E ) aumenta o ganho de tensão deste único estágio do transistor.

O Radio Frequency Choke (RFC) no circuito do coletor atua como um circuito aberto na frequência de RF e evita que a energia de RF entre na fonte de alimentação. O circuito tanque consiste em L ₁ , L ₂ e C. A frequência das oscilações é determinada pelo valor de L ₁ , L ₂ e C e é determinada pelas oscilações na frequência ressonante do circuito tanque LC. Esta frequência ressonante é expressa como

$$ f_o = \ frac {1} {2 \ pi \ sqrt {L_TC}} $$

O sinal de saída pode ser retirado do coletor por acoplamento capacitivo, desde que a carga seja grande e a frequência de oscilação não seja afetada.

Piezoeletricidade

As propriedades piezoelétricas são exibidas por uma série de substâncias cristalinas naturais, das quais as mais importantes são o quartzo, o sal de Rochelle e a turmalina. Quando uma tensão senoidal é aplicada a esses materiais, eles vibram na frequência de tensão aplicada.

Por outro lado, quando esses materiais são comprimidos e colocados sob tensão mecânica para vibrar, eles produzem uma tensão sinusoidal equivalente. Portanto, esses materiais são chamados de cristal piezoelétrico. O quartzo é o cristal piezoelétrico mais popular.

Oscilador de cristal

O diagrama do circuito do oscilador de cristal é mostrado na figura a seguir.

O cristal aqui atua como um circuito sintonizado. O circuito equivalente de um cristal é dado abaixo.

Um oscilador de cristal tem duas frequências ressonantes: frequência ressonante em série e frequência ressonante paralela.

Freqüência Ressonante Série

$$ f_s = \ frac {1} {2 \ pi \ sqrt {LC}} $$

Freqüência Ressonante Paralela

$$ f_p = \ frac {1} {2 \ pi \ sqrt {LC_T}} $$

As duas frequências de ressonância são quase iguais, já que C / Cm é muito pequeno. Na figura acima, o cristal está conectado para operar no modo ressonante paralelo.

Os resistores R ₁ , R ₂ , R _E e o transistor juntos formam um circuito amplificador. Os resistores R ₁ e R ₂ fornecem uma polarização DC estabilizada por tensão. O capacitor (C _E ) fornece bypass AC do resistor emissor (R _E ) e o RFC fornece alta impedância para a frequência gerada pelo oscilador, de forma que eles não entrem nas linhas de força.

O cristal está em paralelo com os capacitores C ₁ e C ₂ e permite a realimentação de tensão máxima do coletor ao emissor, quando sua impedância é máxima. Em outras frequências, a impedância do cristal é baixa e, portanto, o feedback resultante é muito pequeno para sustentar as oscilações. A frequência do oscilador é estabilizada na frequência ressonante paralela do cristal.

O objetivo básico da rede de polarização é estabelecer relações de tensão e corrente coletor-base-emissor no ponto operacional do circuito (o ponto operacional também é conhecido como ponto quiescente, ponto Q, ponto sem sinal, ponto inativo, ou ponto estático). Visto que os transistores raramente operam neste ponto Q, as redes de polarização básicas são geralmente usadas como referência ou ponto de partida para o projeto.

A configuração real do circuito e, especialmente, os valores da rede de polarização são selecionados com base nas condições do circuito dinâmico (oscilação de tensão de saída desejada, nível de sinal de entrada esperado, etc.) Uma vez que o ponto operacional desejado é estabelecido, a próxima função da rede de polarização é para estabilizar o circuito do amplificador neste ponto. A rede de polarização básica deve manter as relações de corrente desejadas na presença de mudanças de temperatura e fonte de alimentação e possível substituição do transistor.

Em alguns casos, as alterações de frequência e alterações causadas pelo componente novamente também devem ser compensadas pela rede de polarização. Este processo é geralmente conhecido como estabilização de polarização. A estabilização de polarização adequada manterá o circuito do amplificador no ponto operacional desejado (dentro dos limites práticos) e evitará o descontrole térmico.

Fator de estabilidade 'S'

É definida como a taxa de variação da corrente de coletor em relação à corrente de saturação reversa, mantendo β e V _BE constantes. É expresso como

$$ S = \ frac {\ mathrm {d} I_c} {\ mathrm {d} I_c} $$

Métodos de estabilização de polarização

O método de tornar o ponto operacional independente das mudanças de temperatura ou variações nos parâmetros dos transistores é conhecido como stabilization. Existem vários esquemas para fornecer estabilização de polarização de amplificadores de estado sólido. Todos esses esquemas envolvem uma forma de feedback negativo. Ou seja, qualquer estágio nas correntes do transistor produz uma tensão correspondente ou mudança de corrente que tende a contrabalançar a mudança inicial.

Existem dois métodos fundamentais para produzir feedback negativo, feedback de tensão inversa e feedback de corrente inversa.

Feedback de tensão inversa

A figura a seguir mostra a rede de polarização de tensão inversa básica. A junção emissor-base é polarizada diretamente pela tensão na junção de R ₁ e R ₂ . A junção base-coletor sofre polarização reversa pelo diferencial entre as tensões no coletor e na base.

Normalmente, o coletor de um amplificador de resistência acoplada está a uma voltagem cerca de metade daquela do Resistor de alimentação (R ₃ ), conectado entre o coletor e a base. Visto que a tensão do coletor é positiva, uma parte dessa tensão é realimentada para a base para suportar a polarização direta.

A polarização direta normal (ou ponto Q) na junção emissor-base é o resultado de todas as tensões entre o emissor e a base. À medida que as correntes de colector aumenta, uma queda de tensão maior é produzido através de R _L . Como resultado, a tensão no coletor diminui, reduzindo o feedback de tensão para a base por meio de R ₃ . Isso reduz a polarização direta da base do emissor, reduzindo a corrente do emissor e baixando a corrente do coletor para seu valor normal. Como há uma diminuição inicial na corrente do coletor, ocorre uma ação oposta e a corrente do coletor é elevada ao seu valor normal (ponto Q).

Qualquer forma de feedback negativo ou inverso em um amplificador tende a se opor a todas as mudanças, mesmo aquelas produzidas pelo sinal sendo amplificado. Este feedback inverso ou negativo tende a reduzir e estabilizar o ganho, bem como a mudança indesejada. Este princípio de estabilização de ganho por meio de feedback é usado em mais ou menos todos os tipos de amplificadores.

Feedback de corrente inversa

A figura a seguir mostra uma rede de polarização de corrente inversa distinta (emissor-feedback) usando um transistor NPN. O feedback de corrente é mais comumente usado do que o feedback de tensão em amplificadores de estado sólido. Isso ocorre porque os transistores são principalmente dispositivos operados por corrente, em vez de dispositivos operados por tensão.

O uso de uma resistência de feedback do emissor em qualquer circuito de polarização pode ser resumido da seguinte maneira: A corrente da base depende do diferencial de tensão entre a base e o emissor. Se a tensão diferencial for reduzida, menos corrente de base fluirá.

O oposto é verdadeiro quando o diferencial é aumentado. Toda a corrente fluindo pelo coletor. A tensão cai no resistor do emissor e, portanto, não é totalmente dependente. Conforme a corrente do coletor aumenta, a corrente do emissor e a queda de tensão no resistor do emissor também aumentam. Este feedback negativo tende a diminuir o diferencial entre a base e o emissor, diminuindo a corrente de base. Por sua vez, a corrente de base inferior tende a diminuir a corrente do coletor e contrabalançar o aumento da corrente do coletor inicial.

Compensação de polarização

Em amplificadores de estado sólido, quando a perda no ganho do sinal é intolerável em uma aplicação particular, técnicas de compensação são freqüentemente usadas para reduzir o desvio do ponto de operação. A fim de fornecer polarização máxima e estabilização térmica, os métodos de compensação e estabilização podem ser empregados juntos.

A figura a seguir mostra a técnica de compensação de diodo que utilizou a compensação de diodo e a estabilização de polarização automática. Se o diodo e o transistor forem do mesmo tipo, eles terão o mesmo coeficiente de temperatura em todo o circuito. Aqui, o diodo é polarizado diretamente. KVL para o circuito dado pode ser expresso como -

$$ I_c = \ frac {\ beta [V - (V_ {BE} - V_o)] + (Rb + Rc) (\ beta + 1) ICO} {Rb + Rc (1 + \ beta)} $$

É claro a partir da equação acima que $ V_ {BE} $ segue VO wrt temperatura e Ic não terá efeito nas variações em $ V_ {BE} $. Este é um método eficaz para cuidar do ponto de operação do transistor devido à variação em $ V_ {BE} $.

Dispositivo de Compensação de Temperatura

Também podemos usar algum dispositivo sensível à temperatura para compensar as variações das características internas do transistor. O termistor tem coeficiente de temperatura negativo, o que significa que com o aumento da temperatura, sua resistência diminui exponencialmente. A figura a seguir mostra um circuito que usa termistor (R _T ) para reduzir o aumento da corrente do coletor devido à mudança em $ V_ {BE} $, ICO ou β com a temperatura.

Quando a temperatura aumenta, R _T diminui e a corrente alimentada por R _T em R _E aumenta. A queda de tensão de ação através de R _E está na direção oposta para polarizar o transistor. R _t age de modo a tender para compensar o aumento da IC, o que aumenta, devido ao aumento da temperatura.