Índice

O que é um semicondutor?

• Condutores: Cu, Al — resistividade muito baixa (10⁻⁸ Ω·m)
• Isoladores: SiO₂, borracha — resistividade muito alta (10¹² Ω·m)
• Semicondutores: Si, Ge, GaAs — resistividade intermédia (10⁻³ a 10³ Ω·m)

O silício (Si) domina a electrónica moderna:

• Abundante na natureza (SiO₂ → areia)
• Bem estudado e processável industrialmente
• Eg = 1,12 eV (gap de energia adequado)

Estrutura cristalina do silício

• Si tem 4 electrões de valência
• Liga-se covalentemente a 4 átomos vizinhos
• A 0 K: todos os electrões ligados → isolador perfeito
• A 300 K: energia térmica quebra algumas ligações → pares electrão-lacuna

Si — Si — Si
|    |    |
Si — Si — Si   ← ligações covalentes
|    |    |
Si — Si — Si

Lacuna: ausência de electrão, comporta-se como carga positiva.

Dopagem tipo N

Adicionar átomo pentavalente (P, As, Sb):

• 4 electrões formam ligações covalentes
• 1 electrão sobra → electrão livre (portador maioritário)

         Si — Si
         |    |
Si ——— P  ——— Si   P tem 5 electrões de valência
         |    |    → 1 electrão livre
         Si — Si

Dopagem tipo P

Adicionar átomo trivalente (B, Al, In):

• Apenas 3 electrões de valência
• Falta 1 electrão → cria lacuna (portador maioritário)

         Si — Si
         |    |
Si ——— B  ——— Si   B tem 3 electrões de valência
         |    |    → 1 lacuna livre
         Si — Si

Junção P-N e camada de depleção

Quando se une Si-P com Si-N:

1. Electrões do tipo N difundem para o tipo P (e vice-versa para lacunas)
2. Criam-se iões fixos nas imediações da junção
3. Forma-se a camada de depleção (zona sem portadores livres)
4. O campo eléctrico interno Vbi ≈ 0,6-0,7 V (Si) opõe-se à difusão

  Tipo P   |  Depleção  |  Tipo N
  + + + +  |  — — + +  |  — — — —
  + + + +  |  — — + +  |  — — — —
           ↑ campo E ↑

Díodo ideal vs real

Díodo ideal:

• Polarização direta (VAK > 0): curto-circuito (V = 0, I = ∞)
• Polarização inversa (VAK < 0): circuito aberto (I = 0)

Díodo real (Si):

• Polarização direta: conduz quando VAK ≥ 0,6–0,7 V (tensão de threshold)
• Polarização inversa: corrente de fuga muito pequena (nA a µA)
• Ruptura: tensão de avalanche (PIV — Peak Inverse Voltage)

Equação de Shockley:

VT = kT/q ≈ 26 mV a 25°C; n = 1..2; Is = corrente de saturação inversa

Curva característica I-V

    I (mA)
    |           /
 20 |          /
    |         /
 10 |        /
    |       / ← região activa
  0 |------/----+-----→ V (V)
    |  Ir  |    0,7
    |←Vbr→|
   -0,1µA

• Região direta: I sobe exponencialmente após ~0,6 V
• Região inversa: corrente de fuga Ir (µA)
• Ruptura (avalanche): a partir de Vbr, corrente alta → destruição

Díodo Germanium: Vth ≈ 0,2–0,3 V (mais sensível, mais ruído)

Díodo Zener

Díodo especialmente fabricado para operar em ruptura controlada:

• Tensão Zener Vz fixa (ex: 5,1 V, 12 V) — mantém-se constante
• Usada em regulação de tensão

Circuito regulador típico:

     Vs ──── Rs ──── Vout = Vz
                  |
                 [Z]   ← díodo Zener (cátodo para +)
                  |
                 GND

Rs = (Vs – Vz) / (Iz + IL)

LED e Fotodiodo

LED (Light Emitting Diode):

• Semicondutor de gap directo (GaAs, GaN, InGaP)
• Electrões e lacunas recombinnam → emitem fotões
• Cor depende do material: Vermelho ≈ 1,8 V; Verde ≈ 2,1 V; Azul ≈ 3,3 V
• Corrente nominal: 5–20 mA → sempre resistência série!

Fotodiodo:

• Operação inversa: fotões geram pares electrão-lacuna
• Modos: fotovoltaico (sem Vbias) ou fotocondutivo (com Vbias inversa)
• Aplicações: sensores de luz, fibra óptica, encoders

Retificador de meia onda

Apenas um díodo — deixa passar apenas semi-ciclo positivo:

Vs (AC) ──[D1]── Vout
                   |
                  [RL]
                   |
                  GND

• Vout(pico) = Vs(pico) – 0,7 V
• Vout(médio) = Vs(pico) / π ≈ 0,318 × Vs(pico)
• Ripple frequency = frede = 50 Hz
• Eficiência baixa — só usa metade do ciclo

Retificador de onda completa — Ponte de Graetz

4 díodos em ponte — usa ambos os semi-ciclos:

        D1        D3
    ┌───>|───┐ ┌───>|───┐
    │        ↓ │        ↓
Vs ─┤       Vout       Vout ← +
    │        ↑ │        ↑
    └───|<───┘ └───|<───┘
        D4        D2
              ↓
             GND

• Vout(pico) = Vs(pico) – 2 × 0,7 V (perda em 2 díodos)
• Vout(médio) = 2 × Vs(pico) / π ≈ 0,636 × Vs(pico)
• Ripple frequency = 2 × frede = 100 Hz
• Eficiência muito superior à meia onda

Filtro capacitivo

Condensador em paralelo com a carga armazena carga durante os picos:

Ponte ──┬── Vout
        C    |
        |   [RL]
       GND   |
            GND

Tensão de ripple (aproximação):

Tensão DC média (com ripple):

Capacidade necessária para ripple ≤ x%:

Exemplo de cálculo — filtro capacitivo

Problema: fonte de 12V DC, 500 mA, ripple máximo 5%.

1. Vpico = 12 + 0,5 (margem) + 1,4 (2 díodos) ≈ 14 V
2. Vripple máx = 5% × 12 = 0,6 V
3. Frequência ripple (onda completa, 50 Hz): f = 100 Hz
4. C = I / (f × Vripple) = 0,5 / (100 × 0,6) = 8,3 mF

Escolher: 10 mF / 25 V (electrolítico — polar, verificar polaridade!)

Estrutura BJT

BJT — Bipolar Junction Transistor: 2 junções P-N

Terminais: B (Base), C (Coletor), E (Emissor)

Relação fundamental:

β (hFE) típico: 50–500 (varia com temperatura e IC)

Regiões de operação

Tensões típicas (NPN, Si):

• Corte: VBE < 0,6 V
• Activa: VBE ≈ 0,7 V, VCE > VCE(sat)
• Saturação: VBE ≈ 0,7 V, VCE(sat) ≈ 0,2 V

Curvas características IC × VCE

IC (mA)
  |        IB=50µA ─────────────
  |       IB=40µA ────────────
40|      IB=30µA ───────────
  |     IB=20µA ──────────
20|    IB=10µA ─────────
  |   IB=0     ────────
  |_________________________ VCE (V)
  0   0.2      5     10
      ↑sat  ↑ activa region

• Região activa: IC ≈ β × IB (independente de VCE)
• Saturação: IC limitado pelo circuito externo, VCE(sat) ≈ 0,2 V
• Linha de carga: une ponto VCC/RC (eixo IC) com VCC (eixo VCE)

Circuito de polarização para saturação

Para forçar o BJT em saturação (interruptor ON):

        +VCC
          |
         [RC]
          |
     ┌────┤C
Vin──[RB]─┤B   NPN
     |    ┤E
     |    |
    GND  GND

Condição de saturação: IC(real) < IC(sat) = β × IB

Cálculo de RB (com factor de sobredriving ≥ 10):

Relay Driver com BJT

Acionar um relé (12 V, bobina de 120 Ω) com sinal de 3,3 V:

3,3 V ──[RB]──B─────┐
                C   │
               [RC] │  D1 (díodo roda livre)
                |   │  ┌──────┐
               +12V─┘  └──────┘
               Relé bobina (120Ω)
                |
               GND

1. IC(relé) = 12 / 120 = 100 mA
2. IB(min) = IC / β = 100 / 100 = 1 mA (β ≈ 100, BC547)
3. IB(usado) = 10 × 1 = 10 mA (sobredriving)
4. RB = (3,3 – 0,7) / 0,010 = 260 Ω → escolher 220 Ω

LED Driver e Motor DC

LED Driver (LED 20 mA, Vled=2V, Vin=3.3V, VCC=5V):

• IC = 20 mA → RC = (5 – 2) / 0,020 = 150 Ω
• IB = IC / β = 20 mA / 100 = 0,2 mA → IB(usado) = 2 mA
• RB = (3,3 – 0,7) / 0,002 = 1300 Ω → escolher 1 kΩ

Motor DC (5 V, 200 mA):

• Mesmo cálculo mas com MOSFET preferível a BJT para correntes > 100 mA
• BJT: usar TIP120 (Darlington, β > 1000) para motores
• Díodo roda livre essencial (diodo rápido, ex: 1N4007)
• Protecção térmica: verificar dissipação em VCE(sat) × IC

Fonte de alimentação simples 5V

230VAC → [Transformador] → 9VAC → [Ponte Graetz] → 12Vpico
→ [C=1000µF] → 11V DC (com ripple) → [Zener 5V1 + Rs] → 5V DC

Dimensionamento:

1. Transformador: secundário 9 V RMS → Vpico = 9×√2 = 12,7 V
2. Díodos: 1N4007 (PIV=1000V, If=1A)
3. Condensador: C = 500mA/(100Hz × 1V) = 5000 µF → usar 4700 µF/25V
4. Zener 5V1: Pz = 1W, Rs = (12–5,1)/0,1 = 69 Ω → 68 Ω

Protecção ESD e TVS

ESD — ElectroStatic Discharge: descarga electrostática até 15 kV!

Protecção em entradas/saídas:

• TVS (Transient Voltage Suppressor): díodo Zener rápido em shunt
• Varistor (MOV): para protecção da rede AC
• Condensador de bypass (100 nF) junto a CI: filtra picos de alta frequência

Sensibilidade ESD (JEDEC JESD22-A114):

• Classe 0: <250 V (muito sensível — MOSFET gate, CMOS)
• Classe 1A: 250–500 V
• Classe 2: 2–4 kV
• Classe 3C: >16 kV (mais robusto)

Usar pulseira antiestática e tapete ao manusear componentes sensíveis.

Sensor de temperatura com NTC + BJT

NTC (Negative Temperature Coefficient): resistência diminui com temperatura.

Circuito de comparação:

+5V
 |
[NTC]──┬── V_NTC → base BJT → acionar LED/relé
       |
     [Rref]
       |
      GND

Cálculo da tensão base (divisor resistivo):

• Com temperatura ↑: RNTC ↓ → Vbase ↑ → BJT conduz → LED acende
• Ajustar Rref = valor NTC na temperatura de trigger