Materiais Elétricos

(1)

Curso Superior de Tecnologia

em Instalações Elétricas

Professor : ARMANDO LAPA JUNIOR

FA

TE

C

S

P

2018

(2)

Aula 11

2018

Aula 11

2018

(3)

Junção PN no Equilíbrio

• A corrente de difusão provoca o aparecimento da região de carga espacial (sem

portadores de carga : cargas livres), existindo somente íons da impureza, negativo do lado P e positivo do lado N.

• Associado às cargas dos dois lados da junção aparece uma tensão chamada de barreira de potencial ( Vbi) de aproximadamente 0,7V no caso do Si e 0,3V do Ge.

• A corrente de difusão provoca o aparecimento da região de carga espacial (sem

portadores de carga : cargas livres), existindo somente íons da impureza, negativo do lado P e positivo do lado N.

• Associado às cargas dos dois lados da junção aparece uma tensão chamada de barreira de potencial ( Vbi) de aproximadamente 0,7V no caso do Si e 0,3V do Ge.

No equilíbrio a soma das correntes através da junção é nula: Is + ID=0

I

_D= corrente de difusão (portadores majoritários, lacunas no lado P e elétrons livres No lado N

I_S= corrente reversa de saturação ou corrente de deriva (portadores minoritários, elétrons livres do lado P e lacunas do lado N)

barreira Vbi

Diodo de Junção

(4)

+

-+

+

P

+

N

--

-+

+

--

---

_{- -}

-

-Junção PN polarizada diretamente

Junção PN polarizada diretamente

PPPP

+

V_bi

A presença da barreira de potencial que é diminuída da pela polarização

direta , permite a condução de corrente pela região de depleção da junção

PN. A junção PN passa a ser condutora de corrente.

A presença da barreira de potencial que é diminuída da pela polarização

direta , permite a condução de corrente pela região de depleção da junção

PN. A junção PN passa a ser condutora de corrente.

(5)

A Junção PN Polarizada Diretamente

• Com polarização direta ( pólo positivo da bateria ligado no lado P e pólo negativo do N) a região de carga espacial diminui , diminuindo a barreira de potencial se a tensão aplicada externa for maior que 0,7V (Si) e 0,3V(Ge).

• A corrente de difusão (ID) de portadores majoritários aumenta.

• A corrente externa vale: I=ID – IS=ID

barreira Vbi

(6)

+

P

N

+

-+

+

+ +

+

Junção PN polarizada reversamente

PPPP

+

A presença da barreira de potencial que é aumentada pela polarização reversa , não permite a condução de corrente pela região de depleção da junção PN.

Existe apenas a corrente de deriva , de portadores minoritários acelerados pelo campo elétrico da barreira , que se comporta como uma corrente reversa , com intensidade da ordem de mA.

A presença da barreira de potencial que é aumentada pela polarização reversa , não permite a condução de corrente pela região de depleção da junção PN.

Existe apenas a corrente de deriva , de portadores minoritários acelerados pelo campo elétrico da barreira , que se comporta como uma corrente reversa , com intensidade da ordem de mA.

V_bi

(7)

A Junção PN Polarizada Reversamente

• Com polarização reversa ( polo positivo da bateria ligado no lado N e polo negativo do P) a região de carga espacial aumenta , aumentando a barreira de potencial Vbi.

• A corrente de difusão (portadores majoritários )se anula, só existe a corrente reversa de saturação, Is, de portadores minoritários.

A corrente externa (I=Is ) é da ordem de : nA para Si e mA para Ge)que é conhecida como corrente reversa de saturação.

barreira Vbi

(8)

Com o aumento da tensão reversa aplicada sobre a junção, mais larga se torna a camada de depleção.

A camada só para de aumentar quando a tensão sobre a camada de depleção for igual a tensão da fonte. O aumento da camada de depleção não é infinito pois na maior parte das vezes ela se rompe .

Com o aumento da tensão reversa aplicada sobre a junção, mais larga se torna a camada de depleção.

A camada só para de aumentar quando a tensão sobre a camada de depleção for igual a tensão da fonte. O aumento da camada de depleção não é infinito pois na maior parte das vezes ela se rompe .

barreira Vbi

TENSÃO DE RUPTURA

Se a tensão reversa for aumentada haverá um valor chamado de tensão de ruptura em que o diodo (feito para só conduzir em um sentido) passa a conduzir intensamente no sentido reverso. Isto ocorre devido à liberação progressiva de elétrons de valência causada pela corrente de fuga. Este movimento chega a um ponto em que passa a existir uma avalanche de elétrons em direção ao polo positivo destruindo o componente. Diodos comerciais para retificação apresentam tensão reversa acima de 50 V. (VRRM - tensão reversa repetitiva máxima).

TENSÃO DE RUPTURA

Se a tensão reversa for aumentada haverá um valor chamado de tensão de ruptura em que o diodo (feito para só conduzir em um sentido) passa a conduzir intensamente no sentido reverso. Isto ocorre devido à liberação progressiva de elétrons de valência causada pela corrente de fuga. Este movimento chega a um ponto em que passa a existir uma avalanche de elétrons em direção ao polo positivo destruindo o componente. Diodos comerciais para retificação apresentam tensão reversa acima de 50 V. (VRRM - tensão reversa repetitiva máxima).

+

N

P

(9)

ppp

_ppp

polarização reversa

pppP

V_bi V_bi V_bi V_bi V_bi

Assim, função da polarização, através da aplicação de uma tensão externa,

a junção PN se comporta como uma chave aberta , não permitindo a

passagem de corrente ( polarização reversa) ou como uma chave fechada,

permitindo a passagem de corrente ( polarização direta )

Assim, função da polarização, através da aplicação de uma tensão externa,

a junção PN se comporta como uma chave aberta , não permitindo a

passagem de corrente ( polarização reversa) ou como uma chave fechada,

permitindo a passagem de corrente ( polarização direta )

polarização direta

polarização direta _{polarização direta}

Chave ideal Chave real, considerando-se

a resistência interna Chave real

+

-

+

-

+

(10)

Diodo de Junção

• Esse comportamento condutor numa junção PN construída a partir de

materiais semicondutores dopados é a base do principio de

funcionamento de um dispositivo ( construído a partir de uma junção PN) ,

que permitirá que a corrente passe somente num único sentido quando

adequadamente polarizado (polarização direta), bloqueando a corrente

quando a polaridade da tensão inverter (polarização reversa).

Esses dispositivos , de grandes aplicações em diversos ramos da

engenharia elétrica recebem o nome de diodos de junção.

.

Diodo de Junção

• Esse comportamento condutor numa junção PN construída a partir de

materiais semicondutores dopados é a

base do principio de

funcionamento de um dispositivo ( construído a partir de uma junção PN) ,

que permitirá que a corrente passe somente num único sentido quando

adequadamente polarizado (polarização direta), bloqueando a corrente

quando a polaridade da tensão inverter (polarização reversa).

Esses dispositivos , de grandes aplicações em diversos ramos da

engenharia elétrica recebem o nome de diodos de junção.

.

P N

Anodo _Catodo

(11)

(12)

Curva Característica de um diodo de junção PN Curva Característica de um diodo de junção PN

i=f (V)

Disrupção ou avalanche Polarização Reversa ou Inversa Polarização Direta Corrente Reversa de saturação

V

I

Vbi

Vbi=0,7V SiVbi=0,7V Si Vbi=0,3V GeVbi=0,3V Ge V b i= 0 7 V S i

I

V

(13)

• Diodo Polarizado Diretamente

Para o diodo conduzir, mesmo em polarização direta, é necessário que a

tensão da bateria seja de pelo menos 0,7V (para vencer a barreira de

potencial).

Em condução um diodo apresenta uma queda de tensão de aproximadamente

0,7V (diodo de Si) ou 0,3 V (diodo de Germânio)

• Diodo Polarizado Diretamente

Para o diodo conduzir, mesmo em polarização direta, é necessário que a

tensão da bateria seja de pelo menos 0,7V (para vencer a barreira de

potencial).

Em condução um diodo apresenta uma queda de tensão de aproximadamente

0,7V (diodo de Si) ou 0,3 V (diodo de Germânio)

Resistor limitador de corrente Polarização direta A lâmpada acende

I

R

v

Diodo

+

(14)

• Em polarização direta e para v < 0,5V a corrente é desprezível sendo essa

tensão chamada de

tensão de corte

.

Região exponencial Região linear

polarização direta

Curva Característica i=f(V) : de um diodo de junção PN

Barreira de Potencial Vbi ( 0,7V Si ou 0,3V Ge)

(15)

• Quando a tensão aumenta acima de 0,5V a corrente aumenta

exponencialmente, sendo a relação i=f(v) dada pela equação característica :

i

= i

₀

(e

qV/kT

_{− 1)}

Onde:

i

: corrente no diodo em ampères (A).

i

₀: corrente de saturação (A).

q

: carga do elétron (≈ 1,6 10−19_C).

V

: tensão aplicada em volts (V).

k: constante de Boltzmann (≈ 1,38 10−23_{J /K).}

T: temperatura da junção em kelvin (K). Região exponencial Região linear ararraarrarararrar arararararraarrara rrrararararararrar ararararararrarara rarararararararrar arararrararararrra rarrarararrararara rrararararrrararar ararrrarararararar arrararararararara rararrararrrarrrrar ararararararararar a

Curva Característica i=f(V) : de um diodo de junção PN

(16)

Diodo Polarizado Reversamente

Com polarização reversa a corrente no diodo (Is) será muito baixa (da ordem

de nA para diodos de Si), de forma que do ponto de vista prático será zero.

• Esta corrente reversa (Is) também chamada de corrente reversa de saturação

ou corrente de fuga só depende de aspectos construtivos (dopagem) e da

temperatura (dobra de valor para cada 10 graus de aumento na temperatura),

uma vez que é função de portadores de carga minoritários.

• Observe que quando polarizado reversamente toda a tensão da fonte cairá

entre os terminais do diodo, que deverá ter capacidade para suportar essa

tensão reversa, caso contrário pode ocorrer um fenômeno chamado de

disrupção ou avalanche o que pode levar à destruição do diodo.

Polarização reversa A lâmpada NÂO acende

I

S

R

v

AA

+

Diodo

Resistor limitador de corrente

(17)

Polarização Reversa

Para V_BK< v < 0 , a corrente pelo diodo, i , será aproximadamente igual a

– I

_S ( corrente reversa de saturação )

Ruptura: v < V

_BK

V_BK = tensão de ruptura ou breakdown

(18)

Tipos de Diodos Semicondutores

• Existem vários tipos de diodos, cada um construído

para um tipo específico de aplicação:

– Diodos retificadores

– Diodos de referência de tensão, ou Zener

– Diodos de capacitância variável (Varicap)

– Diodos Schottky

Fotodiodos

Diodos emissores de luz LED

Entre outros...

(19)

• Diodos Retificadores : aplicados em circuitos

retificadores (conversores de tensão CA em tensão

DC).

– Suportam altas correntes em polarização direta, de 1A

até cerca de 1000A.

– Tensão de ruptura de 50V a 5000V.

– Não podem entrar em condução reversa.

– Dissipam alta potência.

– São fabricados com baixas concentrações de impurezas,

N e P.

• Diodos Retificadores

: aplicados em circuitos

retificadores (conversores de tensão CA em tensão

DC).

– Suportam altas correntes em polarização direta, de 1A

até cerca de 1000A.

– Tensão de ruptura de 50V a 5000V.

– Não podem entrar em condução reversa.

– Dissipam alta potência.

– São fabricados com baixas concentrações de impurezas,

N e P.

I

(20)

(21)

• Diodos de capacitância variável ( Varicap )

– São fabricados com altas concentrações de impurezas,

N e P - maior capacitância.

– Operam em polarização reversa, antes da ruptura.

– Possuem baixa tensão de ruptura.

– Usados em circuitos ressonantes para sintonia.

I

V

(22)

• Diodo Schottky

– São diodos extremamente rápidos, usados em alta frequência.

– Fabricados apenas com um tipo de semicondutor, P ou N.

– A junção é formada por um contato metal-semicondutor.

– Possuem baixa tensão de ruptura.

N

Metal

(23)

(24)

• Diodos de referência de tensão ou Zener

– Trabalham polarizados reversamente, em ruptura.

– Correntes máximas de 1A a 10A.

– Tensão de ruptura de entre 3,3V e 200V.

– São fabricados com camadas de média concentrações de

impurezas.

• Diodos de referência de tensão ou Zener

– Trabalham polarizados reversamente, em ruptura.

– Correntes máximas de 1A a 10A.

– Tensão de ruptura de entre 3,3V e 200V.

– São fabricados com camadas de média concentrações de

impurezas.

K A

I

(25)

Diodo Zener

(também conhecido como diodo regulador de tensão ,diodo de tensão

constante, diodo de ruptura ou diodo de condução reversa)

é um dispositivo semelhante a um diodo convencional , especialmente

projetado para trabalhar sob condução inversa, ou seja, acima da tensão

de ruptura da junção PN, (efeito Zener e o efeito avalanche ).

O dispositivo leva o nome em homenagem a Clarence Zener, que

descobriu esta propriedade elétrica.

Diodo Zener

(também conhecido como diodo regulador de tensão ,diodo de tensão

constante, diodo de ruptura ou diodo de condução reversa)

é um dispositivo semelhante a um diodo convencional , especialmente

projetado para trabalhar sob condução inversa, ou seja, acima da tensão

de ruptura da junção PN, (efeito Zener e o efeito avalanche ).

O dispositivo leva o nome em homenagem a

Clarence Zener

, que

descobriu esta propriedade elétrica.

O diodo Zener difere do diodo convencional pelo fato de receber

uma dopagem (tipo N ou P) maior, o que provoca a aproximação da curva na região de avalanche ao eixo vertical.

Isto reduz consideravelmente a tensão de ruptura e evidencia o efeito Zener que é mais notável à tensões relativamente baixas (em torno de 5,5 Volts)

O diodo Zener difere do diodo convencional pelo fato de receber

uma dopagem (tipo N ou P) maior, o que provoca a aproximação da curva na região de avalanche ao eixo vertical.

Isto reduz consideravelmente a tensão de ruptura e evidencia o efeito Zener que é mais notável à tensões relativamente baixas (em torno de 5,5 Volts)

(26)

No diodo convencional, ao atingir uma determinada tensão inversa, a corrente inversa aumenta bruscamente (efeito de avalanche), causando o efeito Joule, e consequentemente a dissipação

da energia térmica acaba por destruir o dispositivo, não sendo possível reverter o processo.

No diodo Zener, por outro lado, ao atingir uma tensão chamada de Zener , o

dispositivo passa a permitir a passagem de correntes bem maiores que a de saturação inversa, mantendo constante a tensão

entre os seus terminais.

Cada diodo Zener possui uma tensão de Zener específica como, por exemplo, 5,1 Volts, 6,3 Volts, 9,1 Volts, 12 Volts , 24 Volts, etc

No diodo convencional, ao atingir uma determinada tensão inversa, a corrente inversa aumenta bruscamente (efeito de avalanche), causando o efeito Joule, e consequentemente a dissipação

da energia térmica acaba por destruir o dispositivo, não sendo possível reverter o processo.

No diodo Zener, por outro lado, ao atingir uma tensão chamada de Zener , o

dispositivo passa a permitir a passagem de correntes bem maiores que a de saturação inversa, mantendo constante a tensão entre os seus terminais.

Cada diodo Zener possui uma tensão de Zener específica como, por exemplo, 5,1 Volts, 6,3 Volts, 9,1 Volts, 12 Volts , 24 Volts, etc

(27)

Para V < VZ, ( V< 10V ) : o diodo zener não conduz , assim : Vsaída = V (Tensão de saída igual à tensão de entrada)

A corrente será nula por que o diodo zener ainda não atingiu a ruptura. sendo I = 0A não se tem tensão no resistor de limitação de corrente R, VR = R. I = 0

Para V > VZ, ( V>10V ) : o diodo zener conduz uma vez que se

atinge a tensão de ruptura.

Ex : Analise o circuito abaixo, variando a tensão de entrada de 0V a 25V.

Tensão de saída igual à tensão do diodo zener

(a corrente no circuito será limitada pelo resistor R : I = VR / R, com VR = V – VZ)

VZ

VZ = 10V

entrada

(28)

Desenvolvido no fim de 1947 pelos Laboratórios da Bell Telephone, seus desenvolvedores buscavam um dispositivo equivalente às válvulas eletrônicas até então.

Transistores

Objetivo : Amplificação de sinais com menor perda de energia, função até então feita pelas válvulas com

enorme perda de energia

Objetivo : Amplificação de sinais com menor perda de energia, função até então feita pelas válvulas com

(29)

Transistor

O termo “ Transistor ” deriva da contração de duas palavras em inglês:

trans

fer res

istor

(resistor de transferência).

(30)

Tipos de Transistores

Transistores

BJT junçãoBJT junção

FET CampoFET Campo

UJT UJT unijunçãounijunção

Potência Potência

Outros Tiristores

(31)

O Transistor de Junção Bipolar (BJT) é o transistor mais importante do ponto

de vista histórico e o de utilização mais corrente.

Existem também os transistores de efeito de campo (FET, “Field Effect

Transistor”), constituídos pelos transistores FET de junção unipolar, os

transistores MOSFET (“Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor”), e

os CMOS (“complementary MOSFET”), largamente utilizados em eletrônica

integrada de alta densidade.

O Transistor de Junção Bipolar (BJT) é o transistor mais importante do ponto

de vista histórico e o de utilização mais corrente.

Existem também os transistores de efeito de campo (FET, “Field Effect

Transistor”), constituídos pelos transistores FET de junção unipolar, os

transistores MOSFET (“Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor”), e

os CMOS (“complementary MOSFET”), largamente utilizados em eletrônica

integrada de alta densidade.

(32)

Atualmente , o material semicondutor mais usado na fabricação de

transistores é o Silício (Si) .

O Silício possibilita o funcionamento em temperaturas mais elevadas (175

ºC, quando comparado com os ~75ºC dos transistores de Germânio) ,

apresentando correntes de fuga menores.

Atualmente , o material semicondutor mais usado na fabricação de

transistores é o

Silício (Si) .

O Silício possibilita o funcionamento em temperaturas mais elevadas (175

ºC, quando comparado com os ~75ºC dos transistores de Germânio) ,

apresentando correntes de fuga menores.

O transistor de junção bipolar (BJT) é formado por

duas junções PN em série, podendo apresentar as

configurações PNP e NPN .

O transistor de junção bipolar (BJT) é formado por

duas junções PN em série, podendo apresentar as

configurações PNP e NPN .

Transistores de junção bipolar ( BJT)

(33)

Cada uma das regiões do transistor apresenta características próprias:

Base : é a região mais estreita, menos dopada (com menor concentração

de impureza) extremamente fina.

Emissor : é a região mais dopada (com maior concentração de impureza),

onde são emitidos os portadores de carga (elétrons no caso de transistor

NPN e lacunas no caso de transistor PNP).

Coletor : é a região mais extensa, porque é nela que a potencia se dissipa

Cada uma das regiões do transistor apresenta características próprias:

Base

: é a região mais estreita, menos dopada (com menor concentração

de impureza) extremamente fina.

Emissor

: é a região mais dopada (com maior concentração de impureza),

onde são emitidos os portadores de carga (elétrons no caso de transistor

NPN e lacunas no caso de transistor PNP).

(34)

(35)

Transistor Não

Polarizado

Elétrons livres se difundem através da junção, criando

duas camadas de depleção ( duas junções PN , duas barreiras de potencial)

Para cada camada de depleção, a barreira de potencial é de 0,7 V ( Silício )

Quanto mais densamente dopada uma região, maior a concentração de íons próximos da junção.

Quanto mais fracamente dopada, mais a região de depleção avança nesta região ( A base é a região menos dopada )

Elétrons livres se difundem através da junção, criando

duas camadas de depleção ( duas junções PN , duas barreiras de potencial)

Para cada camada de depleção, a barreira de potencial é de 0,7 V ( Silício )

Quanto mais densamente dopada uma região, maior a concentração de íons próximos da junção.

Quanto mais fracamente dopada, mais a região de depleção avança nesta região ( A base é a região menos dopada )

Transistor Não Polarizado

Junção PN, Camada de depleção ( barreira

de potencial )

Junção PN, Camada de depleção ( barreira

de potencial )

(36)

V

_BE

:

Tensão Base Emissor (V)

V

_CE

V

_BE

V

_CE

V

_BE

V

_CE

:

Tensão Coletor Emissor(V)

I

_B

:

Corrente de Base (A)

I

_C

:

Corrente de Coletor (A)

I

_E

:

Corrente de Emissor (A)

(37)

P

(38)

Funcionamento : Polarização de um transistor NPN

De maneira análoga , para compreender a operação de trabalho do PNP, basta inverter o sentido das tensões e correntes.

Funcionamento : Polarização de um transistor NPN

De maneira análoga , para compreender a operação de trabalho do PNP, basta inverter o sentido das tensões e correntes.

O transistor está no modo de saturação ( saturado )

Consideremos uma situação em que as duas junções foram polarizadas

diretamente,assim as correntes que circulam serão altas (máximas possíveis ) (nível um )

V1

V2

+

(39)

se a junção da base com o emissor for polarizada diretamente e a outra junção polarizada reversamente, também as correntes de coletor e emissor serão altas,aproximadamente de mesmo valor.

Se as duas junções estiverem polarizadas reversamente,

todas as

correntes serão praticamente nulas. (nivel zero)

O transistor está no modo de corte ( cortado )

V1

_V1

V2

+

(40)

se a junção da base com o emissor for polarizada diretamente e

a outra junção polarizada reversamente, também as correntes

de coletor e emissor serão altas, aproximadamente de mesmo

valor. Nessa condição a corrente de coletor é proporcional a

corrente da base

V1

V2

+

O transistor estará no modo de Amplificação Linear Ic = b IB Sendo b conhecido como o ganho (amplificação)

(41)

Os transistores de junção tem sua utilização principalmente como Amplificadores, nos circuitos analógicos, e como chaves eletrônicas, nos circuitos digitais.

Função da polarização de suas junções, um transistor de junção bipolar (BJT) pode operar em três modos diferentes:

modo de Corte,

modo de Amplificação

modo de Saturação.

Função da polarização de suas junções, um transistor de junção bipolar (BJT) pode operar em três modos diferentes:

modo de Corte, modo de Amplificação modo de Saturação. A curva característica ao lado, resume os três modos de operação de um transistor de junção (BJT) NPN.

(42)

Transistor como Amplificador

Um transistor funciona como amplificador, quando a corrente de base varia

entre zero e um valor máximo. Neste caso, a corrente de coletor é um múltiplo

da corrente de base. Se aplicarmos na base do transistor um sinal, vamos obter

uma corrente mais elevada no coletor proporcional ao sinal aplicado:

Transistor como Amplificador

Um transistor funciona como amplificador, quando a corrente de base varia

entre zero e um valor máximo. Neste caso, a corrente de coletor é um múltiplo

da corrente de base. Se aplicarmos na base do transistor um sinal, vamos obter

uma corrente mais elevada no coletor proporcional ao sinal aplicado:

Ic = b IB

b =

ganho ou amplificação

(43)

Quando uma tensão conveniente é aplicada nos seus terminais, os elétrons livres podem se recombinar com as lacunas existentes na rede cristalina do material semicondutor. Na recombinação dos pares elétron-lacuna, os elétrons liberam energia sob a forma de fótons ( LUZ).

Este efeito é chamado eletroluminescencia

Quando uma tensão conveniente é aplicada nos seus terminais, os elétrons livres podem se recombinar com as lacunas existentes na rede cristalina do material semicondutor. Na recombinação dos pares elétron-lacuna, os elétrons liberam energia sob a forma de fótons ( LUZ).

Este efeito é chamado eletroluminescencia

Diodo Emissor de Luz ou LED – Light Emitting Diode

Um Diodo Emissor de Luz ou LED – Light Emitting Diode é um diodo de junção

PN, que emite luz quando ativado.

Um Diodo Emissor de Luz ou LED – Light Emitting Diode é um diodo de junção

PN, que emite luz quando ativado.

A cor da luz emitida ( correpondente a energia do foton ), é determinada pelo comprimento de onda l relativo a energia da banda proibida do material semicondutor utilizado

(44)

Historia

Eletroluminescencia é um fenomeno que foi descoberto em 1907 pelo cientista ingles H. J. Round da Marconi Labs, utilizando um cristal de carbeto de silício SiC e um

detetor de contato de ponta .

O cientista russo Oleg Losev relatou o desenvolvimento do primeiro LED em 1927. Sua pesquisa foi publicada em jornais científicos na então União Soviética, Alemanha e Inglaterra , mas nenhuma utilidade prática para o dispositivo foi realizada por muitas decadas.

Kurt Lehovec, Carl Accardo and Edward Jamgochian, retomaram o estudo desse

primeiro LED em 1951 utilizando um cristal SiC e uma fonte de corrente.

Eletroluminescencia é um fenomeno que foi descoberto em 1907 pelo cientista ingles H. J. Round da Marconi Labs, utilizando um cristal de carbeto de silício SiC e um

detetor de contato de ponta .

O cientista russo Oleg Losev relatou o desenvolvimento do primeiro LED em 1927. Sua pesquisa foi publicada em jornais científicos na então União Soviética, Alemanha e Inglaterra , mas nenhuma utilidade prática para o dispositivo foi realizada por muitas decadas.

Kurt Lehovec, Carl Accardo and Edward Jamgochian, retomaram o estudo desse primeiro LED em 1951 utilizando um cristal SiC e uma fonte de corrente.

1907

Cristal de carbeto de silício e um detetor de contato de ponta .

(45)

Rubin Braunstein da RCA ( Radio Corporation of America) observou a emissão de infra

vermelho a partir do material semicondutor Arseniato de Galio (GaAs) e outras ligas semicondutoras em 1955.

Braunstein observou emissões infravermelhas geradas por estruturas simples, na forma de diodos , utilizando Antimoniato de Galio (GaSb), Arseniato de Galio (GaAs), Fosfito

de Índio (InP), e uma liga Silicio-Germanio (SiGe) , em temperatura ambiente e a 77 K

Rubin Braunstein da RCA ( Radio Corporation of America) observou a emissão de infra vermelho a partir do material semicondutor Arseniato de Galio (GaAs) e outras ligas semicondutoras em 1955.

Braunstein observou emissões infravermelhas geradas por estruturas simples, na forma de diodos , utilizando Antimoniato de Galio (GaSb), Arseniato de Galio (GaAs), Fosfito

de Índio (InP), e uma liga Silicio-Germanio (SiGe) , em temperatura ambiente e a 77 K

1955

(46)

No outono de 1962, quando trabalhavam na Texas Instruments Inc. in Dallas, TX, USA, James R. Biard and Gary Pittman descobriram que o Arseniato de Galio (GaAs) emitia luz infravermelha

quando

percorrido por uma corrente elétrica .

No outono de 1962, quando trabalhavam na Texas Instruments Inc. in Dallas, TX, USA, James R. Biard and Gary Pittman descobriram que o Arseniato de Galio (GaAs) emitia luz infravermelha

quando

percorrido por uma corrente elétrica .

Em 8 de Agosto , 1962, J R Biard e G

Pittman publicaram a pesquisa

"Semiconductor Radiant Diode“ a

qual descreve um LED de junção PN,

utilizando Zinco, a qual possibilitava

emissão eficiente de infra vermelho

sob polarização reversa .

Em 8 de Agosto , 1962, J R Biard e G

Pittman publicaram a pesquisa

"Semiconductor Radiant Diode“

a

qual descreve um LED de junção PN,

utilizando Zinco, a qual possibilitava

emissão eficiente de infra vermelho

sob polarização reversa .

(47)

1962

(U.S. Patent US3293513)

,

o primeiro LED para aplicações práticas .

O Escritório Americano de Patentes (U.S. patent office ) registrou em nome dos dois pesquisadores , a patente para o LED infra vermelho ( IR LED ) de Arseneto de Galio GaAs

(U.S. Patent US3293513), o primeiro LED para aplicações práticas .

Imediatamente após a emissão da patente, a Texas Instruments iniciou o projeto de fabicação de diodos LED infavermelhos. Em Outubro de 1962, foi anunciado o primeiro LED comercial ( SNX-100), o qual utilizava um cristal puro de GaAs que emitia uma energia luminosa de comprimento de onda

l

de 900 nm .

O Escritório Americano de Patentes (U.S. patent office ) registrou em nome dos dois pesquisadores , a patente para o LED infra vermelho ( IR LED ) de Arseneto de Galio GaAs

(U.S. Patent US3293513)

,

o primeiro LED para aplicações práticas .

Imediatamente após a emissão da patente, a Texas Instruments iniciou o projeto de fabicação de diodos LED infavermelhos. Em Outubro de 1962, foi anunciado o primeiro LED comercial ( SNX-100), o qual utilizava um cristal puro de GaAs que emitia uma energia luminosa de comprimento de onda

l

de 900 nm .

(48)

O primeiro LED com emissões de energia dentro do espectro visível ( LED na cor

vermelha ) foi desenvolvido em 1962 por Nick Holonyak, Jr., quando trabalhava na

GE General Electric Company.

M. George Craford, desenvolveu o primeiro LED amarelo e aumentou o brilho dos

LEDs vermelhos (e vermelho –laranja ) por um fator 10 em 1972.

Em 1976, T. P. Pearsall criou o primeiro LED de alto brilho ( high-bright ), e alta eficiencia ( high-efficiency )

(49)

Emissões de

energia dentro

do espectro

visível

Emissões de

energia dentro

do espectro

visível

(50)

O primeiro LED azul de alto brilho foi desenvolvido por Shuji Nakamura da

Nichia Corporation , Japão, 1994 utilizando Nitrato de Galio- Indio InGaN.

O primeiro

LED azul

de alto brilho foi desenvolvido por Shuji Nakamura da

(51)

Shuji Nakamura Nick Holonyak, Jr. M. George Craford

(52)

O desenvolvimento do LED azul, possibilitou uma forma simples e eficiente de gerar luz BRANCA.

Recobrindo-se um LED azul com um material a base de fósforo, a luz azul emitida pelo LED poderá ser convertida em luz verde , amarela e vermelha .

Essa mistura de luz colorida será percebida pelo olho humano, como luz branca e assim, poderá ser utilizada em aplicações de iluminação em geral .

O desenvolvimento do

LED azul

, possibilitou uma forma simples e eficiente de gerar luz BRANCA.

Recobrindo-se um LED azul com um material a base de fósforo, a luz azul emitida pelo LED poderá ser convertida em luz verde , amarela e vermelha .

Essa mistura de luz colorida será percebida pelo olho humano, como luz branca e assim, poderá ser utilizada em aplicações de iluminação em geral .

(53)

Uma junção PN pode conduzir corrente se submetida a uma energia proveniente de luz. Da mesma forma, uma junção PN pode emitir luz quando energizada . É o fenomeno conhecido como electroluminancia ou eletroluminescencia ( emissião de luz a partir de um material semicondutor sob a ação ou influencia de um campo elétrico ).

Os portadores de carga ( elétrons e lacunas ) se recombinam numa junção PN diretamente polarizada :

Os eletrons livres provenientes da região N se recombinam com as lacunas existentes na região P

Uma junção PN pode conduzir corrente se submetida a uma energia proveniente de luz. Da mesma forma, uma junção PN pode emitir luz quando energizada . É o fenomeno conhecido como electroluminancia ou eletroluminescencia ( emissião de luz a partir de um material semicondutor sob a ação ou influencia de um campo elétrico ).

Os portadores de carga ( elétrons e lacunas ) se recombinam numa junção PN diretamente polarizada :

Os eletrons livres provenientes da região N se recombinam com as lacunas existentes na região P

Banda de Condução Banda de Condução

Banda de Valencia Banda de Valencia Banda de Proibida elétrons lacunas Movimento de elétrons Banda de Energia Proibida

Em termos de bandas de energia, os eletrons livres estão na banda de condução enquanto que as lacunas estão na banda de valencia

(54)

Portanto, o nivel de energia das lacunas é menor do que o nivel de energia dos

elétrons

Assim, na recombinação dos pares elétron - lacuna, essa diferença de energia

será dissipada.

No caso dos diodos de junção PN, essa energia é dissipada em calor.

Para as junçoes PN dos LEDs essa energia é emitida sob forma de calor e

principalmente LUZ (fóton)

Portanto, o nivel de energia das lacunas é menor do que o nivel de energia dos

elétrons

Assim, na recombinação dos pares elétron - lacuna, essa diferença de energia

será dissipada.

No caso dos diodos de junção PN, essa energia é dissipada em

calor

.

Para as junçoes PN dos LEDs essa energia é emitida sob forma de

calor e

principalmente LUZ (fóton)

recombinação dos pares elétron - lacuna

fóton Banda Proibida Banda de Valencia Banda de Condução Banda de Condução Banda de Valencia Banda Proibida (LUZ) Movimento de elétrons

(55)

recombinação dos pares elétron - lacunarecombinação dos pares elétron - lacuna

Polarização direta da junção PN de um LED

Banda de condução LUZ elétron lacuna Banda de Valencia Banda Proibida região N região P Polarização direta

(56)

Diagrama de Cromaticidade , comprimentos de onda l (nm) e composições de LED para cada cor.

As cores (comprimentos de onda l (nm) ) da luz emitida pelo LED, dentro do

espectro de luz visível e nos limites (infra vermelho e ultra violeta ) dependem

diretamente da composição dos materiais semicondutores utilizados. As cores (comprimentos de onda l (nm) ) da luz emitida pelo LED, dentro do

espectro de luz visível e nos limites (infra vermelho e ultra violeta ) dependem

(57)

Cores da luz emitida, função do material semicondutor utilizado Cores da luz emitida, função do material semicondutor utilizado

(58)

A : Anodo B: Catodo

1 : Lente ( encapsulamento epóxi , com propriedades ópticas) 2: Contato metálico ( fio de ouro)

3: Cavidade refletora

4: Pastilha semicondutora (LED)

5: “Bigorna “ 7: Terminais condutores 6: “Poste”

8: Borda Plana

(59)

Detalhe das partes internas de um

LED

Detalhe das partes internas de um

LED

(60)

capsula refletora

LED para montagem comum LED para montagem de superfície SMD

Arquitetura de um LED

substrato de Si substrato de Si Dissipador de calor Al ou Cu Dissipador de calor Al ou Cu lente lente

(61)

Detalhe da capsula refletora Detalhe da capsula refletora

(62)

LED RGB

RGB LEDs consistem de três LEDs.

Cada LED RGB contem realmente um LED vermelho, um LED verde e um LED azul .

Estes três LEDs coloridos são capazes de produzir qualquer cor dentro do espectro de luz visivel

LED RG

B

RGB LEDs consistem de três LEDs.

Cada LED RGB contem realmente um LED vermelho, um LED verde e um LED azul .

Estes três LEDs coloridos são capazes de produzir qualquer cor dentro do espectro de luz visivel

(63)

LED de luz BRANCA

Existem duas metodologias principais para produção de LED que emite LUZ

BRANCA :White Light Emitting Diodes (WLEDs), LEDs que geram luz branca de alta intensidade.

1- Pelo uso de LEDs RGB que emitem as tres cores primarias : Vermelho (R red), Verde (G- green ) , e Azul (B-blue) e misturam as cores para formar a luz branca. 2- Pelo uso de material a base de fosforo (fluorescente ) para converter luz

monocromatica emitida por um LED Azul ou um LED ultravioleta ( UV LED ) em luz dentro do espectro visivel ( muito semelhante ao funcionamento de uma lampada fluorescente comum )

Existem duas metodologias principais para produção de LED que emite LUZ

BRANCA :White Light Emitting Diodes (WLEDs), LEDs que geram luz branca de alta intensidade.

1- Pelo uso de LEDs RGB que emitem as tres cores primarias : Vermelho (R red), Verde (G- green ) , e Azul (B-blue) e misturam as cores para formar a luz branca. 2- Pelo uso de material a base de fosforo (fluorescente ) para converter luz

monocromatica emitida por um LED Azul ou um LED ultravioleta ( UV LED ) em luz dentro do espectro visivel ( muito semelhante ao funcionamento de uma lampada fluorescente comum )

Tecnologia mais recente apresenta : LED Azul e fosforo amarelo . Duas cores complementares que se juntam para produir a luz branca.

Este método tem se mostrado mais eficiente sendo atualmente o mais utilizado . Inconveniente : A aparencia do objeto iluminado por essa luz pode variar

função da variação do espectro de luz visivel apresentado por essa união . Tecnologia mais recente apresenta : LED Azul e fosforo amarelo .

Duas cores complementares que se juntam para produir a luz branca.

Este método tem se mostrado mais eficiente sendo atualmente o mais utilizado . Inconveniente : A aparencia do objeto iluminado por essa luz pode variar

função da variação do espectro de luz visivel apresentado por essa união .

LED Azul

LED RGB

(64)

A obtenção da luz branca, possibilitou o desenvolvimento das lâmpadas de estado sólido , fabricadas a partir de LED, que estão substituindo com grande vantagem, as obsoletas lâmpadas incandescente e as próprias lâmpadas fluorescentes compactas .

A obtenção da luz branca, possibilitou o desenvolvimento das lâmpadas de estado sólido , fabricadas a partir de LED, que estão substituindo com grande vantagem, as obsoletas lâmpadas incandescente e as próprias lâmpadas fluorescentes compactas .

incandescentesincandescentes

Inc. halogenasInc. halogenas

Fluor. compactasFluor. compactas

LED LED

Eficiência

Vida média Economia

(65)

A obtenção da luz branca, possibilitou o desenvolvimento das lâmpadas

de estado sólido , fabricadas utilizando-se diodos emissores de luz, LED,

que estão substituindo com grande vantagem, as obsoletas lâmpadas

incandescente e as próprias lâmpadas fluorescentes compactas

A obtenção da luz branca, possibilitou o desenvolvimento das lâmpadas

de estado sólido , fabricadas utilizando-se diodos emissores de luz,

LED

,

que estão substituindo com grande vantagem, as obsoletas lâmpadas

incandescente e as próprias lâmpadas fluorescentes compactas

(66)

Vantagens das Lâmpadas de LED

1) Os custos de manutenção são reduzidos em função da

sua longa vida útil.

2) Operam em baixa tensão: riscos significativamente

menores para os instaladores, eletricistas e usuários.

3) São resistentes a impactos e vibrações: utilizam

tecnologia em estado sólido, portanto, sem filamentos,

vidros, etc, aumentando a sua robustez.

4) Ausência de ultravioleta: não emite radiação ultravioleta

podendo ser utilizadas para uma vasta gama de aplicações.

5) Ausência de infravermelho: também não emite radiação

infravermelha, fazendo com que o feixe luminoso seja frio.

6) A vida útil das lâmpadas de LED não se altera quando

utilizadas em ambientes onde o acender/apagar é

constante.

(67)

Quadro comparativo entre lâmpadas incandescentes comuns, lâmpadas incandescentes halógenas, fluorescentes compactas e lâmpadas de LEDS

Preço inicial em 2014

Custo total após 10 mil horas de uso

(68)

As lampadas de LED podem ser fabricadas para a emissão de qualquer cor

As lampadas de LED para a substituição das lampadas fluorescentes tubulares

(69)

(70)

(71)

Diversos projetos de iluminação de vias públicas utilizando lâmpadas de LED

Comparativo de projetos de iluminação de vias públicas utilizando lâmpadas de LED

(72)

Recentemente ,surgiu no mercado consumidor,um tipo de TV , lançado pela Coreana LG, de tela ultrafina, constituída por OLEDs

Um OLED ou organic light-emitting diode , é um diodo emissor de luz (LED), no qual a camada de emissão eletroluminescente é constituída por um filme de material orgânico o qual emite luz em resposta a uma corrente elétrica.

Esta camada de material organico semicondutor é posicionada entre dois eletrodos ; sendo a extremidade destes eletrodos transparente.

Um OLED ou organic light-emitting diode , é um diodo emissor de luz (LED), no qual a camada de emissão eletroluminescente é constituída por um filme de material orgânico o qual emite luz em resposta a uma corrente elétrica.

Esta camada de material organico semicondutor é posicionada entre dois eletrodos ; sendo a extremidade destes eletrodos transparente.

OLED TV

(73)

Os OLEDs são utilizados para criar displays e telas digitais para dispositivos tais como telas de TV , monitores de computadores, telas de Smartphones, consoles de video games, etc.

Sony OLED TVSony OLED TV

OLED displays

Atualmente ,a maior area de pesquisa está no desenvolvimento dispositivos “white OLED” , que emitem luz BRANCA, para aplicações em sistemas de iluminação a estado sólido ( solid-state lighting )

Atualmente ,a maior area de pesquisa está no desenvolvimento dispositivos

“white OLED” , que emitem luz BRANCA, para aplicações em sistemas de iluminação a estado sólido ( solid-state lighting )

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Estrutura básica de um OLED

Camada condutiva : Material orgânico ou polímero Camada condutiva : Material orgânico ou polímero AnodoAnodo SubstratoSubstrato Camada emissiva : Material orgânico ou polímero Camada emissiva : Material orgânico ou polímero CatodoCatodo

Como um LED Organico emite luz visivel ?

Um OLED emite luz de modo similar a um LED , através do processo conhecido como

electroluminescencia.

Como um LED Organico emite luz visivel ?

Um OLED emite luz de modo similar a um LED , através do processo conhecido como

(75)

Processo :

1)Uma bateria ou uma fonte de energia aplica uma tensão através do OLED

2) Uma corrente elétrica (elétrons)flui do catodo ao anodo, através da camada de material orgânico. O catodo

fornece elétrons a camada

emissiva do material orgânico.

O anodo remove elétrons da camada condutiva do

material orgânico = formam-se lacunas nesta camada

2) Uma corrente elétrica (elétrons)flui do catodo ao anodo, através da camada de material orgânico. O catodo fornece elétrons a camada emissiva do material

orgânico.

O anodo remove elétrons da

camada condutiva do

material orgânico = formam-se lacunas nesta camada

(76)

3)Na interface entre a

camada emissiva e a camada condutiva, os elétrons

encontram as lacunas e as

preenchem (recombinação ) Quando isso ocorre, o elétron libera a energia sob a forma de um fóton ( LUZ )

3)Na interface entre a

camada emissiva e a camada condutiva, os elétrons

encontram as lacunas e as

preenchem (recombinação ) Quando isso ocorre, o elétron libera a energia sob a forma de um fóton ( LUZ )

4- O diodo OLED emite LUZ dentro do espectro visível

(77)

A cor da luz emitida depende do tipo de molécula orgânica

presente na camada emissiva

A cor da luz emitida depende do tipo de molécula orgânica

presente na camada emissiva

A intensidade ou brilho da luz emitida, depende da quantidade de corrente

elétrica

aplicada : quanto maior a corrente aplicada maior o brilho da luz

A intensidade ou brilho da luz emitida, depende da quantidade de corrente

(78)

Tipos de OLEDs: Matriz Ativa e Matriz Passiva (Passive and Active Matrix)

Existem varios tipos de diodos emissores de luz organicos OLEDs: Cada tipo apresenta diferentes aplicações

Passive-matrix OLED ( PMOLED ) Active-matrix OLED ( AMOLED ) Transparent OLED

Top-emitting OLED Foldable OLED White OLED

Tipos de OLEDs: Matriz Ativa e Matriz Passiva (Passive and Active Matrix)

Existem varios tipos de diodos emissores de luz organicos OLEDs: Cada tipo apresenta diferentes aplicações

Passive-matrix OLED ( PMOLED ) Active-matrix OLED ( AMOLED ) Transparent OLED

Top-emitting OLED Foldable OLED White OLED

(79)

Passive-matrix OLED ( PMOLED )

Os PMOLEDS são mais fáceis de serem

fabricados ,porém apresentam maior consumo de energia

Os PMOLEDS são mais fáceis de serem

fabricados ,porém apresentam maior consumo de energia

(80)

Active-matrix OLED ( AMOLED )

Os AMOLEDS são

componentes de baixo consumo de energia.

Utilizados em displays para TV e computadores

Os AMOLEDS são

componentes de baixo consumo de energia.

Utilizados em displays para TV e computadores

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