Aula_02_IME_Capacitor_e_Silcio_Semicondutor

Prévia do material em texto

Introdução à Microeletrônica
Aula 02
● Capacitor e armazenamento de informação
● Semicondutores 
– Silício e dopantes, semicondutor intrínseco, tipo n e tipo p
Hugo Leonardo D. de S. Cavalcante – DSC – CI – UFPB
 
Capacitor
 
Capacitor armazena carga elétrica
++++
- - - - 
Após o circuito estabilizar...
Q = C V = C × 1,5 V (bateria AA)
Q: carga armazenada no capacitor
C: Capacitância do componente (depende da 
forma e do material dielétrico
Mesmo depois que a bateira é desconectada,
ainda temos Q = C × 1,5 V
O capacitor “lembra” da carga (tensão)
++++
- - - - 
1,5 V
 
Capacitor e corrente
++++
- - - - 
I
Q = C V
Derivando com respeito ao tempo (C é const.)++++
- - - - - - - - 
V
+
-
dQ/dt = C dV/dt, mas I = dQ/dt ...
I = C dV/dt
Se uma variação de tensão dV acontecer em um intervalo de tempo nulo 
(dt = 0), a corrente I será infinita (impossível).
Conclusão: A tensão no capacitor não pode variar instantaneamente. Ela 
varia de maneira “suave”, assim como a carga armazenada no capacitor.
 
Carga como Informação
O estado computacional pode ser codificado como 
a quantidade de carga (tensão) armazenada por 
um dispositivo. ++++
- - - - 
++++
- - - - 
1,5 V O estado pode ser lido medindo a tensão nos 
terminais do dispositivo.
Problemas: ruído, “vazamentos” e interferência 
eletromagnética alteram o valor de Q.
 
Vencendo o ruído
Armazene mais energia do que 
a esperada no ruído.
Q = C V. Para armazenar mais 
energia, aumente V ou C. 
Custo: potência dissipada, tamanho 
do chip.
Represente o estado de 
maneiras mais robustas ao 
ruído/variação da carga.
Exemplo: 1 bit por capacitor.
Escreva “1” como 1,5 V e “0” como 
0,0 V. Na leitura:
V > 0,75 V é um “1”.
V < 0,75 V é um “0”.
Custo: poderia ter colocado mais bits 
nesse capacitor.
Corrija pequenos erros 
introduzidos pelo ruído.
Exemplo: “refresque” o estado a 
cada 1 ms.
Custo: complexidade.
 
Semicondutores
● Transistores usam corrente (ou tensão) para controlar outra 
corrente (ou tensão).
● Vamos usar transistores MOSFET para armazenar e 
processar informação (carga elétrica armazenada na 
capacitância de dispositivos).
● Esses dispositivos são feitos com materiais semicondutores, 
principalmente materiais à base de silício.
 
Silício intrínseco
Si: Família 4A (como o carbono), 4 elétrons na última camada
 
Silício intrínseco
Um cristal de silício 99,9999999% puro (intrínseco)
 
Silício intrínseco
Um cristal de silício 99,9999999% puro 
(intrínseco)
Conduz eletricidade melhor do que um 
isolante, pior do que um condutor.
Elétrons estão presos na banda de valência. 
É isolante a T = 0 K (-273,16º C).
E
n
e
rg
ia
Banda de valência
Banda de condução
região proibida (band gap)
 
Silício intrínseco
Um cristal de silício 99,9999999% puro 
(intrínseco)
Conduz eletricidade melhor do que um 
isolante, pior do que um condutor.
A separação entre as bandas é pequena, da 
ordem da energia térmica à temperatura 
ambiente, formando elétrons e buracos livres.
E
n
e
rg
ia
Banda de valência
Banda de condução
elétrons livres
buracos livres
 
Dopantes
Boro: 3 elétrons na última camada, arsênio: 5 elétrons na última camada.
 
Silício tipo n: adicionar doador de elétrons
Adicionando uma pequena quantidade de 
átomos de As (5 e-) por difusão ou 
implantação iônica, o cristal se torna um bom 
condutor. 
O As “doa” elétrons que vão fazer parte da 
banda de condução. 
Há uma redução no número de buracos.
E
n
e
rg
ia
Banda de valência
Banda de condução
elétrons livres
energia do doador
As
 
Silício tipo p: adicionar aceitador de elétrons
Adicionando uma pequena quantidade de 
átomos de B (3 e-) por difusão ou implantação 
iônica, o cristal também conduz. 
O B “captura” elétrons da banda de valência, 
produzindo buracos livres que conseguem 
conduzir. 
Não há alteração no número de elétrons 
livres.
E
n
e
rg
ia
Banda de valência
Banda de condução
elétrons livres
energia do aceitador
B
 
 
 
Introdução à Microeletrônica
Aula 02
● Capacitor e armazenamento de informação
● Semicondutores 
– Silício e dopantes, semicondutor intrínseco, tipo n e tipo p
Hugo Leonardo D. de S. Cavalcante – DSC – CI – UFPB
O fundamento da microeletrônica é o 
armazenamento e processamento de informação 
usando variáveis elétricas (tensão ou corrente). 
Vamos ver como usar capacitores para armazenar 
informação.
Transistores serão responsáveis pelo 
processamento, mas antes de estudarmos os 
transistores, vamos relembrar algumas 
propriedades e características dos materiais 
semicondutores usados em sua fabricação.
 
 
 
Capacitor
Informação pode ser armazenada em um circuito 
elétrico pelo “estado” do circuito. Este estado pode 
ser definido pela carga elétrica armazenada ou 
pela condutividade (corrente), as quais pode ser 
controladas por uma outra carga elétrica ou 
corrente elétrica. 
A unidade básica de armazenamento de carga é o 
capacitor, (ou mais exatamente a capacitância) que 
existe em qualquer elemento real de circuito. 
Nosso modelo fundamental de capacitor envolve dois 
condutores separados por um isolante.
 
 
 
Capacitor armazena carga elétrica
++++
- - - - 
Após o circuito estabilizar...
Q = C V = C × 1,5 V (bateria AA)
Q: carga armazenada no capacitor
C: Capacitância do componente (depende da 
forma e do material dielétrico
Mesmo depois que a bateira é desconectada,
ainda temos Q = C × 1,5 V
O capacitor “lembra” da carga (tensão)
++++
- - - - 
1,5 V
O capacitor tem a propriedade de armazenar carga 
elétrica, a qual pode ser “lida” como uma tensão 
entre seus “terminais”. É um dispositivo que possui 
memória: a carga acumulada depende do histórico 
de corrente que atravessou os terminais.
Ao conectar o capacitor a uma fonte de tensão, 
rapidamente ele “se carrega” acumulando uma 
tensão igual à da fonte. 
Mesmo desconectado, esta tensão é preservada por 
um tempo longo (existe uma pequena “fuga”, 
“vazamento” de carga, que faz a tensão diminuir 
lentamente).
 
 
 
Capacitor e corrente
++++
- - - - 
I
Q = C V
Derivando com respeito ao tempo (C é const.)++++
- - - - - - - - 
V
+
-
dQ/dt = C dV/dt, mas I = dQ/dt ...
I = C dV/dt
Se uma variação de tensão dV acontecer em um intervalo de tempo nulo 
(dt = 0), a corrente I será infinita (impossível).
Conclusão: A tensão no capacitor não pode variar instantaneamente. Ela 
varia de maneira “suave”, assim como a carga armazenada no capacitor.
A carga no capacitor não varia instantaneamente. A 
derivada da carga (proporcional à tensão) é igual à 
corrente que está atravessando os terminais. 
Variações rápidas exigem grandes correntes, e 
portanto, alta potência (P = VI). 
 
 
 
Carga como Informação
O estado computacional pode ser codificado como 
a quantidade de carga (tensão) armazenada por 
um dispositivo. ++++
- - - - 
++++
- - - - 
1,5 V O estado pode ser lido medindo a tensão nos 
terminais do dispositivo.
Problemas: ruído, “vazamentos” e interferência 
eletromagnética alteram o valor de Q.
Ao conectar o capacitor a uma fonte de tensão, 
rapidamente ele “se carrega” acumulando uma 
tensão igual à da fonte. 
Mesmo desconectado, esta tensão é preservada por 
um tempo longo (existe uma pequena “fuga”, 
“vazamento” de carga, que faz a tensão diminuir 
lentamente).
Para ter segurança no valor de carga (tensão) 
acumulado, vamos usar um padrão com poucos 
valores possíveis. P. ex.: 0 V e 1,5 V.
 
 
 
Vencendo o ruído
Armazene mais energia do que 
a esperada no ruído.
Q = C V. Para armazenar mais 
energia, aumente V ou C. 
Custo: potência dissipada, tamanho 
do chip.
Represente o estado de 
maneiras mais robustas ao 
ruído/variação da carga.
Exemplo: 1 bit por capacitor.
Escreva “1” como 1,5 V e “0” como 
0,0 V. Na leitura:
V > 0,75 V é um “1”.
V < 0,75 V é um “0”.
Custo: poderia ter colocado mais bits 
nesse capacitor.
Corrija pequenos erros 
introduzidos pelo ruído.
Exemplo: “refresque” o estado a 
cada 1ms.
Custo: complexidade.
Alternativas e compromissos.
O ruído depende de fontes de tensão externas, que 
irradiam sinais indesejados no nosso circuito, e 
também da agitação térmica dos elétrons nos 
componentes. 
Podíamos usar vários intervalos de tensão 
associados a diferentes estados. Por exemplo: 
“A”: de -2 V a -1 V, “B”: de -1 V a 0 V, 
“C”: de 0 V a 1 V, “D”: de 1 V a 2 V. 
Neste exemplo temos 4 estados por transistor (2 
bits), mas corremos mais risco de ter uma 
interpretação errada na escrita ou na leitura de um 
estado.
 
 
 
Semicondutores
● Transistores usam corrente (ou tensão) para controlar outra 
corrente (ou tensão).
● Vamos usar transistores MOSFET para armazenar e 
processar informação (carga elétrica armazenada na 
capacitância de dispositivos).
● Esses dispositivos são feitos com materiais semicondutores, 
principalmente materiais à base de silício.
Além de armazenar a informação, queremos também 
fazer um “processamento”, ou seja, modificar a 
informação de maneira controlada por alguns 
valores. 
Chaves (interruptores) permitem realizar as 
operações fundamentais (lógica ou “Álgebra 
Booleana”).
No lugar de chaves mecânicas, vamos usar chaves 
controladas eletricamente, implementadas no 
estado sólido (transistores) com materiais 
semicondutores. 
O sistema mais usado é o MOSFET (Transistor de 
efeito de campo com metal, óxido e semicondutor).
 
 
 
Silício intrínseco
Si: Família 4A (como o carbono), 4 elétrons na última camada
A base de 90% da tecnologia é o silício Si14
28, 
elemento da família 4A (a mesma do carbono), que 
tem 4 elétrons na camada de valência.
 
 
 
Silício intrínseco
Um cristal de silício 99,9999999% puro (intrínseco)
Uma rede cristalina de silício ultrapuro (grau de 
pureza “eletrônica”) forma um cristal semicondutor 
(condutividade intermediária entre metal e isolante) 
à temperatura ambiente. 
Este cristal tem algumas propriedades 
qualitativamente parecidas com o diamante 
(isolante), mas é muito menos duro e mais 
condutor, além disso não é transparente para a luz 
visível.
 
 
 
Silício intrínseco
Um cristal de silício 99,9999999% puro 
(intrínseco)
Conduz eletricidade melhor do que um 
isolante, pior do que um condutor.
Elétrons estão presos na banda de valência. 
É isolante a T = 0 K (-273,16º C).
E
n
e
rg
ia
Banda de valência
Banda de condução
região proibida (band gap)
Os elétrons se distribuem em faixas de energia 
contínuas, separadas por uma faixa proibida (band 
gap), seguindo a distribuição de Fermi-Dirac. 
Em temperatura 0 K, todos os elétrons estão na faixa 
de valência (ligados aos núcleos atômicos) e a 
condutividade é nula (isolante). A faixa de 
condução está vazia e a energia necessária para 
excitar um elétron é relativamente grande 
(processo não acontece espontaneamente).
 
 
 
Silício intrínseco
Um cristal de silício 99,9999999% puro 
(intrínseco)
Conduz eletricidade melhor do que um 
isolante, pior do que um condutor.
A separação entre as bandas é pequena, da 
ordem da energia térmica à temperatura 
ambiente, formando elétrons e buracos livres.
E
n
e
rg
ia
Banda de valência
Banda de condução
elétrons livres
buracos livres
Em temperaturas maiores (273 K), alguns elétrons 
tem energia suficiente para atingir a faixa de 
condução (a condutividade aumenta com a 
temperatura! Como acontece no vidro, p. ex.) e 
deixam “buracos” na faixa de valência.
Este material é o chamado semicondutor intrínseco. 
 As contribuições do elétrons e dos buracos para a 
condutividade são da mesma ordem de grandeza, 
com uma predominância do transporte de elétrons 
(que têm maior energia, maior mobilidade).
Número de portadores: ni = 1,45 × 1010 cm-3.
Resistividade:ρ=2,3×103Ωm (a 293 K).
 
 
 
Dopantes
Boro: 3 elétrons na última camada, arsênio: 5 elétrons na última camada.
Para criar coisas mais interessantes, podemos 
modificar as distribuições dos portadores de carga 
(elétrons e buracos), adicionando “dopantes”, 
impurezas adequadas, em pequenas quantidades.
Dois tipos básicos: átomos aceitadores ou doadores 
de elétrons.
Exemplo: boro (B5) tem apenas três elétrons na 
última camada, e tendência a aceitar mais um.
 Arsênio (As33) tem 5 elétrons na última camada, e 
tendência a doar um para se acomodar à rede.
 
 
 
Silício tipo n: adicionar doador de elétrons
Adicionando uma pequena quantidade de 
átomos de As (5 e-) por difusão ou 
implantação iônica, o cristal se torna um bom 
condutor. 
O As “doa” elétrons que vão fazer parte da 
banda de condução. 
Há uma redução no número de buracos.
E
n
e
rg
ia
Banda de valência
Banda de condução
elétrons livres
energia do doador
As
O semicondutor com dopante doador de elétrons tende a 
ter um número de elétrons maior do que o intrínseco, 
formando o material tipo n (portadores majoritários 
negativos). 
As dopagens podem ser de 0,1% a 10%.
Lei de ação das massas: n p = ni
2, onde n é a densidade de 
elétrons, p é a densidade de buracos, ni é a densidade 
de portadores no material intrínseco.
Com a dopagem, n = Nd, onde Nd é a densidade de átomos 
doadores de elétrons.
Além do número de elétrons, o valor no nível de energia 
também é importante. Devemos usar um átomo cuja 
energia de valência seja próxima da faixa de condução 
do Si. Tipicamente, usa-se arsênio (As33) ou fósforo (P15).
 
 
 
Silício tipo p: adicionar aceitador de elétrons
Adicionando uma pequena quantidade de 
átomos de B (3 e-) por difusão ou implantação 
iônica, o cristal também conduz. 
O B “captura” elétrons da banda de valência, 
produzindo buracos livres que conseguem 
conduzir. 
Não há alteração no número de elétrons 
livres.
E
n
e
rg
ia
Banda de valência
Banda de condução
elétrons livres
energia do aceitador
B
O semicondutor com dopante aceitador de elétrons 
tende a ter um número de buracos maior do que o 
intrínseco, formando o material tipo p (portadores 
majoritários positivos).
Além do número de elétrons na última camada, o 
valor no nível de energia do dopante também é 
importante. Devemos usar um átomo cuja energia 
de valência seja próxima da faixa de valência do 
Si. Tipicamente, boro (B5).
As dopagens podem ser de 0,1% a 10%.
Com a dopagem, p = Na, onde Na é a densidade de átomos 
aceitadores de elétrons.
Para dopagem dupla, n = Nd – Na, p = Na – Nd. A dopagem 
pode inverter o tipo do material, mudar de n para p, ou 
de p para n.
	Slide 1
	Slide 2
	Slide 3
	Slide 4
	Slide 5
	Slide 6
	Slide 7
	Slide 8
	Slide 9
	Slide 10
	Slide 11
	Slide 12
	Slide 13
	Slide 14
	Slide 1
	Slide 2
	Slide 3
	Slide 4
	Slide 5
	Slide 6
	Slide 7
	Slide 8
	Slide 9
	Slide 10
	Slide 11
	Slide 12
	Slide 13
	Slide 14