Eletronica de potencia

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Eletrônica de Potência - Cap. 1

J. A. Pomilio

1. COMPONENTES SEMICONDUTORES DE POTÊNCIA
A figura 1.1 mostra uma distribuição dos componentes semicondutores, indicando limites
aproximados (2004) para valores de tensão de bloqueio, corrente de condução e freqüência de
comutação. Obviamente estes limites evoluem com o desenvolvimento tecnológico e servem
como uma ilustração para a verificação,numa primeira aproximação, das faixas de potência em
que cada componente pode ser utilizado.
Tensão

Tiristores
IGCT
5kV
GTO e IGCT
4kV
3kV

Corrente
IGBT

2kV

1kHz

TBP

10kHz
1kV

MOSFET

100kHz
2kA

4kA

6kA

1MHz

Freqüência

Figura 1.1 Limites de operação de componentes semicondutores de potência.
1.1 Breve Revisão da Física de Semicondutores
A passagem de corrente elétrica em um meio dependeda aplicação de um campo elétrico
e da existência de portadores livres (usualmente elétrons) neste meio. Em metais, como o cobre
ou a prata, a densidade de portadores livres (elétrons) é da ordem de 1023/cm3, enquanto nos
materiais isolantes, como o quartzo ou o óxido de alumínio, o valor é da ordem de 103/cm3. Os
chamados semicondutores, como o silício, têm densidades intermediárias, na faixa de108 a
1019/cm3. Nos condutores e nos isolantes, tais densidades são propriedades dos materiais,
enquanto nos semicondutores estas podem ser variadas, seja pela adição de “impurezas” de
outros materiais, seja pela aplicação de campos elétricos em algumas estruturas de
semicondutores.
1.1.1 Os portadores: elétrons e lacunas
Átomos de materias com 4 elétrons em sua camada mais externa (C, Ge, Si,etc.), ou
ainda moléculas com a mesma propriedade, permitem o estabelecimento de ligações muito
DSCE – FEEC – UNICAMP

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Eletrônica de Potência - Cap. 1

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estáveis, uma vez que, pelo compartilhamento dos elétrons externos pelos átomos vizinhos
(ligação covalente), tem-se um arranjo com 8 elétrons na camada de valência, como ilustra a
figura 1.2.

elétrons
compartilhadosnúcleos
atômicos

Figura 1.2 – Estrutura cristalina de material semicondutor
Em qualquer temperatura acima do zero absoluto (-273 oC), algumas destas ligações são
rompidas (ionização térmica), produzindo elétrons livres. O átomo que perde tal elétron se torna
positivo. Eventualmente um outro elétron também escapa de outra ligação e, atraído pela carga
positiva do átomo, preenche a ligação covalente.Desta maneira tem-se uma movimentação
relativa da “carga positiva”, chamada de lacuna, que, na verdade, é devida ao deslocamento dos
elétrons que saem de suas ligações covalentes e vão ocupar outras, como mostra a figura 1.3.
movimento
da lacuna
átomo
ionizado

elétron
ligação
rompida

Figura 1.3 – Movimento de elétrons e lacunas em semicondutor
A ionização térmica gera o mesmo número de elétrons elacunas. Em um material puro, a
densidade de portadores é aproximadamente dada por:
− qE g

ni ≈ C⋅e

kT

(1.1)

onde C é uma constante de proporcionalidade, q é a carga do elétron (valor absoluto), Eg é a
banda de energia do semicondutor (1,1 eV para o Si), k é a constante de Boltzmann, T é a
temperatura em Kelvin. Para o Si, à temperatura ambiente (300K), ni ≈ 1010/cm3.
1.1.2 Semicondutoresdopados
Quando se faz a adição de átomos de materiais que possuam 3 (como o alumínio ou o
boro) ou 5 elétrons (como o fósforo) em sua camada de valência à estrutura dos semicondutores,

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os átomos vizinhos a tal impureza terão suas ligações covalentes incompletas ou com excesso de
elétrons, como mostra a figura 1.4.
SiSi

Si

Si

Si

Si

elétron
em excesso

ligação
incompleta
Si

Bo

Si

Si

P

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Figura 1.4 – Semicondutores dopados
Neste caso não se tem mais o equilíbrio entre elétrons e lacunas, passando a existir um
número maior de elétrons livres nos materiais dopados com elementos da quinta coluna da tabela
periódica, ou de lacunas, caso a dopagem seja com elementos da terceira...
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