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Aula 1 Semicondutores Intrínsecos e Extrínsecos Tipos de Materiais Condução de carga elétrica Isolantes: não conduz carga. Condutores: excelente condutor de carga (PTC) Semicondutores: condutividade elétrica intermediária (NTC) Estrutura de banda de energias Núcleo Raio Atômico Isolante semicondutor Condutor EG: energia para um elétron atravessar a região proibida (gap) e migrar da camada de valência para a camada de condução. A unidade de EG é o eletron-volt, eV e tem a seguinte relação com o Joule: 1 eV = 1,6x10-19J Isolante. A camada proibida é grande e a energia para vence-la é também grande. Exemplos: Semicondutor. A camada proibida é menor e a energia para vence-la é também menor (bastante inferior ao do isolante). A energia pode ser fornecida pela elevação da temperatura. Exemplos: Condutor. A camada proibida não existe. Isto é, as camadas de valência e de condução se superpõem. Apresentam elétrons livres, responsáveis pela alta condutividade elétrica. Exemplos: Resistência de Isolantes Um material isolante que separa dois condutores sob a influência de uma diferença de potencial está sujeito a correntes de fuga. A resistência de isolamento se opõe à passagem da corrente de fuga. A corrente de fuga pode circular através da massa (resistência de isolamento volumétrica) ou pela superfície do isolante (resistência de isolamento superficial). Supondo que uma vela de ignição possui gap de 0,5 milimetros e que o meio é o ar, qual a tensão mínima sobre a vela para que haja produção de centelha? A rigidez dielétrica do ar vale 30kV/cm. Resistência e Resistividade Elétrica de um Sólido Resistividade elétrica de um material é capacidade de gerar resistência elétrica. Resistência elétrica é a propriedade de se opor à passagem da corrente elétrica. A resistência elétrica de um sólido condutor ou semicondutor depende das dimensões físicas e do material que compõe o sólido. Considerando um paralelepípedo tem-se Onde R é a resistência elétrica, ρ é a resistividade do material, L é o comprimento, e A é a área transversal. Conclusões: Quanto maior o comprimento L, maior será a resistência. Quanto maior a área menor A, menor será a resistência. O que acontece se aumentarmos A e L do mesmo tanto. 2. Material Resistividadeρ(Ω.cm) Resistênciaparalelepípedo (A = 1 cm2e L= 10 m) Ouro 2,3x10-6 2,3 cmΩ Prata 1,6x10-6 1,6 mΩ Alumínio 2,8x0-6 2,8 cmΩ Latão 2,5 a 6,0x10-6 6,0 mΩ Cobre 3,9x10-6 3,9mΩ Ferro 6,2x10-6 6,2 mΩ Silíciointrínseco(27oC) 2,28x105 2,28x108Ω Silíciointrínseco(77oC) 8,14x102 8,14x105Ω Silícioextrínseco,ND= 1016(27oC) 0,568 568Ω Silícioextrínseco,ND= 1016(77oC) 0,568 568Ω Silícioextrínseco,NA= 1017(27oC) 0,156 156Ω Silícioextrínseco,NA= 1017(77oC) 0,156 156Ω Resistência Elétrica “versus” Temperatura Para os metais a resistência é diretamente proporcional à temperatura. Os metais possuem coeficiente de temperatura positivo e são chamados PTC (positive thermal coefficient). Exemplo: Lâmpada incandescente. Para os semicondutores a resistência é inversamente proporcional à temperatura. A liberação de elétrons para a banda de condução é proporcional à temperatura. Diz-se então que os metais possuem coeficiente de temperatura negativo e são chamados NTC (negative thermal coefficient). Exemplo: Diodo semicondutor. Semicondutores Intrínsecos (altíssima pureza) Concentração de portadores livres (na camada de condução) Onde: EG: energia para liberação de um elétron da banda de covalência para a banda de condução. Unidade: elétron-volt, [eV]; ou joule, [J]. B: parâmetro dependente do material. Unidade: [K-3cm-6] ou [1/(K3cm6)]. T: temperatura absoluta. Unidade: graus Kelvin [ºK]. k: constante de Boltzman: k = 8,62×10-5 [eV/K]. k = 1,38×10-23 [J/K]. BSi ou Ge ou GaAs = 5,4x1031 K-3cm-6; EG, silício = 1,12 eV ou EG, silício =1,792×10-19 J. EG, germânio = 0,67 eV. EG, germânio = 1,072×10-19 J. EG, GaAs = 1,43 eV. EG, GaAs = 2,288×10-19 J. Escrever um parágrafo sobre B. Semicondutores Intrínsecos (altíssima pureza) Concentração de portadores livres (na camada de condução) Características: T=0 ºK não existem elétrons livres. A banda de condução está vazia. Isolante. Acima de T=0 ºK ocorre quebra de ligações covalentes e liberação de elétrons. Condutor. Um elétron migra para a banda de condução e cria uma lacuna ao deixar o átomo. Os elétrons na condução possuem uma densidade de portadores negativos n (elétrons/cm3) As lacunas possuem uma densidade de portadores positivos p (lacunas/cm3) Para semicondutores intrínsecos tem-se 3. Exercícios: Completar a tabela abaixo para o Si, o Ge e o GaAs. B = 5,4 ×1031 K-3cm-6 Densidade de portadores intrínseca,ni[cm-3] Elemento Temperatura AbsoltaºK(célsius ºC) 273ºK(0 ºC) 300ºK(27 ºC) 350ºK(77 ºC) 400ºK(127ºC) Ge 2.1778×1013 9,0×1013 7,24×1014 3,54×1015 Si 1.5333×109 1,5x1010 4,2x1011 5,2x1012 GaAs 2.1140×106 3,75×107 2,45×109 5,8×1010 Resistividade do Silício Intrínseco Quando submetido a uma fonte de tensão V produz movimentação de cargas chamada Corrente de Deriva (drift current) Onde q é a carga do elétron = 1,6x10-19 C; p é a densidade de portadores positivos (lacunas); n é a densidade de portadores negativos (elétrons); μp: mobilidade das lacunas: μn: mobilidade dos elétrons: 4. Exemplo: Preencher duas linhas da tabela 1. μP silicio = 480 [cm2/V.s]. μn silicio = 1350 [cm2/V.s]. SEMICONDUTORES EXTRÍNSECOS Cristal com densidade de impureza controlada Semicondutor Extrínseco (ou dopado) é obtido pela Injeção de impurezas (dopagem) no semicondutor intrínseco. As propriedades elétricas da pastilha são significativamente alteradas. A resistividade do semicondutor extrínseco é praticamente independente da temperatura. Principais processos de dopagem: difusão (menos preciso) implantação iônica (mais preciso). Impurezas mais comuns (para Si e Ge) são o Boro e o Fósforo. Boro (3 elétrons na última camada) gera uma lacuna livre. Fósforo (5 elétrons na última camada) gera um elétron livre. Porém as distribuições finais ficam diferentes. SEMICONDUTORES EXTRÍNSECOS Injeção Controlada de Impurezas Boro (3 elétrons) é um dopante aceitador de elétron. Ao final do processo de dopagem, a concentração das lacunas é denominada NA. Fósforo (5 elétrons) é um dopante doador de elétron. Ao final do processo de dopagem, a concentração das lacunas é denominada ND. Independente da quantidade de impureza injetada (ND ou NA), o produto das densidades positivas e negativas se mantém constante e igual ao produto do semicondutor intrínseco: SEMICONDUTORES EXTRÍNSECOS Cálculos Ao final dadopagem positiva(Boro) A densidade de portadores positivos, chamadosportadores majoritáriosppo, valeNA. O produto das densidadespendevem se manter igual àquele obtido no semicondutor intrínseco. A densidade dos portadores negativos, chamadosportadores minoritáriosnpo, vale: Normalmente a dopagem positiva produzp=NA>>n SEMICONDUTORES EXTRÍNSECOS Cálculos Ao final dadopagem negativa(Fósforo) A densidade de portadoresnegativos, chamadosportadores majoritáriosnno, valeND. O produto das densidadespendevem se manter igual àquele obtido no semicondutor intrínseco. A densidade dos portadorespositivos, chamadosportadores minoritáriospno, vale: Normalmente a dopagem negativa produzn=ND>>n Resistividade do Silício Extrínseco Dopagem Positiva Considerando o saco geral Para a dopagem positiva tem-se Como a densidade p é muito maior que a densidade n, ou μp: mobilidade das lacunas para Si extrínseco é DIFERENTE do Si intrínseco. 5. Exemplo: Preencher duas linhas da tabela 1. Mobilidade das lacunas para Si extrínseco μP silicio = 400 [cm2/V.s]. Resistividade do Silício Extrínseco Dopagem Negativa Considerando o saco geral Para a dopagem negativa tem-se Como a densidade n é muito maior que a densidade p, ou μn: mobilidade dos elétrons para Si extrínseco é DIFERENTE do Si intrínseco. 6. Exemplo: Preencher duas linhas da tabela 1. Mobilidade das lacunas para Si extrínseco μn, silicio = 1100 [cm2/V.s]. Exercícios Semicondutores 7) Calcular para T = [250º K; 300º K; 350º K] a densidade de portadores majoritários n e minoritários pno para um processo de dopagem do silício que introduz impurezas doadores (P) com densidade ND = 1017/cm3. R = [nno = 1017/cm3, npo = 2,25.10-1/cm3; nno = 1017/cm3, npo = 2,25.103/cm3; nno = 1017/cm3, npo = 1,75.106/cm3]. 8) Calcular a resistividade do silício extrínseco com ND = 1016/cm3 para T = [250º K; 300º K; 350º K]. As mobilidades para o silício extrínseco são: μP silicio = 400 cm2/V.s e μn silicio = 1100 cm2/V.s. R = [ρext = 1,56 Ω.cm]. 9) Para um paralelepípedo de área A = 0.1 cm2 e comprimento L = 1 cm, calcular as resistências para o silício intrínseco e extrínseco do exemplo anterior. Qual a corrente em cada caso para uma tensão VE = 12 V. R: (a) Iintrinseco = 12V/Rintrinseco; (b) Iextrinseco = 12V/Rextrinseco. Pesquisar e responder (Livro, internet, aulas,..) O que é um resistores PTC e quais suas aplicações? O que é um resistores NTC e quais suas aplicações? Compare os semicondutores Si e Ge. Quais as aplicações de cada um. Quais as aplicações do Silício em outras áreas além da eletrônica. Quais os semicondutores usados para produção de LED coloridos. Supondo que um resistor de área A e comprimento L possui resistência inicial R, qual a resistência final Rf se a área for aumentada para 10A e o comprimento aumentado para 10 L? a potência do resistor aumenta ou diminui. Para os metais a resistividade é diretamente proporcional à temperatura. Porque? O que são semicondutores intrínsecos e quais as principais características com relação à temperatura? O que são semicondutores extrínsecos? Quais os tipos mais comuns? Quais as principais características com relação à temperatura? Aula 2 Junção PN Mecanismos de Movimentação de Cargas ou Formação de corrente 1. Com aplicação de tensão (corrente de deriva). O semicondutor se comporta como um resistor. 2. Por Difusão (corrente de difusão). Movimento criado pela diferença de concentração de portadores em regiões da pastilha de Si. Esse gradiente de concentração pode ser produzido por temperatura, campo elétrico, campo magnético, e dopagens. A corrente de difusão depende da variação das concentração em pontos diferentes da pastilha (princípio da osmose). O sentido da corrente de difusão é da maior para a menor densidade e tende a homogeneizar a densidade em todo o material, quando a corrente em fim, cessa. Junção PN Evolução da Distribuição de Cargas após a formação da junção t = 0 t = t1 t = ∞ Corrente de Difusão IS Corrente de Difusão IS Corrente de Deriva ID Corrente de Difusão IS Corrente de Deriva ID 0 Correntes Resultantes Equilíbrio ID = IS Junção PN sem Polarização Externa Barreira de Potencial Catodo (K) Anodo (A) Tensão de Equilíbrio ou Tensão de Barreira Tensão Térmica Equilíbrio ID = IS 20. Calcular a tensão de barreira para uma junção de Silício com NA = 1017; ND = 1016; T = 27 ºC. 21. Repetir o problema anterior para T = 127 ºC. 22. Repetir os problemas 20 e 21 para o caso do Germânio. 23. Repetir os problemas 20 e 21 para o caso do Arsenito de Gálio. Junção PN sem Polarização Externa Barreira de Potencial Tensão de Barreira Tensão Térmica 19. Calcular a tensão de barreira para uma junção de Silício com NA = 1017; ND = 1016; T = 27 ºC. 20. Repetir o problema anterior para T = 127 ºC. 21. Repetir os problemas 20 e 21 para o caso do Germânio. 22. Repetir os problemas 20 e 21 para o caso do Arsenito de Gálio. Densidade de Portadores Tabela Resposta Temperatura (ºC) V0para o Si (V) V0para o Ge (V) V0para oGaAs(V) 27 127 Corrente Direta ; Capacitância de Difusão : Tempo de vida de portadores minoritários totais Junção PN com Polarização Direta Relação Corrente x Tensão Capacitância de Difusão IS : Corrente de Fuga do Diodo ID : Corrente Direta do Diodo VD : Tensão Direta do Diodo ID ; Junção PN com Polarização Direta Relação Corrente x Tensão Capacitância de Difusão Corrente Direta IS : Corrente de Fuga do Diodo ID : Corrente Direta do Diodo VD : Tensão Direta do Diodo 23. Calcular a corrente ID para T = 27 ºC; IS (27 ºC) = 0,3 µA; e VD = 0,7 V. 24. Repetir o problema anterior para T = 127 ºC. IS (127 ºC) = 1 µA; * Normalmente a corrente de fuga IS é fornecida pelo fabricante para várias temperaturas. ** O Silício “pede para morrer ” alí pelos 170º C. Tabela Resposta Temperatura (ºC) ID(A) 27 127 Capacitância de Depleção Junção PN com Polarização Inversa Corrente de Fuga Capacitância de Depleção IS IS IS : Corrente de fuga Muito, mas muito pequena mesmo! Aumenta com a temperatura e pode entrar em curto para T > 180 ºC! Cj0 è uma capacitância fornecida pelo fabricante. Junção PN com Polarização Inversa Capacitância de Depleção 25. Calcular a capacitância de depleção para as tensões reversas de 10 V; 20 V; 40 V; e 80 V. Dado: Cj0 = 100 pF e V0 = 0,7 V. Tabela Resposta VR(V) CJ(pF) 10 20 40 80 Os diodos usados especificamente para gerar capacitância variável são usados em sintonizadores de TV, AM e FM. No caso de FM a variação de VR entre o e 10 V gera varredura entra 88 e 108 MHz. Tais diodos são chamados diodos VARICAP. O Diodo VARICAP Para tensões entre 1 e 10 volts, Qual a razão entre as frequências máximas e mínimas de sintonia? Junção PN com Polarização Inversa Tensão Reversa Máxima Os diodos são fabricados com tensão reversa máxima que não podem ser ultrapassadas sob o risco de destruição do componente. Tensãoreversa máxima de diodos Dispositivo VR(V) 1N4001 1N4002 1N4003 1N4004 1N4005 1N4006 1N4007 Pesquisar no site www.alldatasheet.com e responder a tabela anaixo. CONCEITUAIS Qual o tipo de polarização usada para gerar um capacitor variável em sintonizadores de radiofrequência? Qual o mecanismo de movimentação de cargas resultante de variação de portadores livres? Qual o mecanismo de movimentação de cargas na presença de uma fonte de tensão? Exercício de conceito: O que é ruptura por efeito zener e por efeito avalanche? Aula 3 O Diodo de Junção Sequencia para Diodos Modelos para a polarização direta: exponencial; ideal; fonte; fonte com resistor; Modelo reverso. Tensão Zener. Características de um diodo: corrente direta máxima; tensão reversa máxima e tensão zener; potência máxima; tensão direta máxima (Shottky); velocidade de corte (transição on-off) devido a capacitância CD. Demonstrações em Sala e Tarefas 1N4148 - Medir VD para ID = [1 10 20 30 40 50 100 200] (mA). Usar fonte de tensão variável e resistor de 10 Ω ½ W. Fazer gráfico ID x VD em papel milimetrado (papelaria ou impresso) . LED Vermelho. Medir VD para ID = [1 2 5 10 15] (mA). Usar fonte de tensão variável e resistor de 100 Ω 1/8 W. Fazer tabela ID x VD. LED Verde. Medir VD para ID = [1 2 5 10 15] (mA). Usar fonte de tensão variável e resistor de 100 Ω 1/8 W. Fazer tabela ID x VD. Aplicações de Diodos Alarme de incêndio. Retificador de lâmpada. Retificador para baixa tensão. Projetos. Polarização de diodo de junção PN Circuito Simples Polarização de diodo de junção PN Circuito Simples Solução pela tensão VD Solução pela corrente ID Desafio: achar uma solução analítica para ID ou VD para V=R=VT=10 e IS=1 (2 pontos) Polarização de diodo de junção PN Solução analítica (desafio ....deu errado!!!!) Solução alternativa 1: Reta de Carga (precisa da curva) Solução alternativa 2: Modelos Simplificados Solução alternativa 3: Cálculo interativo (equações de reta de carga) Modelos cc e ca: Resistências cc e ca 40 Solução alternativa 1: Reta de Carga (com base na curva do diodo) 1 – Considerar VD = 0 e calcular a corrente e marcar o ponto (ID,0). 2 – Considerar ID = 0 e marcar o ponto (0,VB) 3 – Traçar uma reta entre esses dois pontos. 4 – O cruzamento da reta de carga com a curva do diodo é o ponto de operação (VDQ,IDQ) 41 Polarização por Reta de Carga (ex) 42 QUESTÕES Traçar as retas de carga para os três circuitos. Q1 Q2 Q3 VDQ1 VDQ2 VDQ3 IDQ3 IDQ1 IDQ2 Polarização por Reta de Carga (exemplo resolvido) 43 QUESTÕES Traçar as retas de carga para os três circuitos. Calcular as potências dissipadas nos diodos PD1, PD2 e PD3. Q1 Q2 Q3 RESPOSTAS VD ID PD Circuito 1 (T = 0ºC) ≈1,1V ≈0,82A ≈0,9W Circuito 2 (T = 50ºC) ≈0,8V ≈0,42A ≈0,32W Circuito 3 (T = 100ºC) ≈0,6V ≈0,88A ≈0,53W VDQ1 VDQ2 VDQ3 IDQ3 IDQ1 IDQ2 Polarização por Reta de Carga (exemplo resolvido) 44 Solução alternativa 2: Reta de Carga (curva) Calcular os elementos do circuito e o ponto de operação -50º C 25º C 100º C 45 Polarização por Reta de Carga: LED. QUESTÕES VB1, VB2 e VB3? R1, R2 e R3? + QUESTÕES VLEDQ1, VLEDQ2 e VLEDQ3? ILEDQ1, ILEDQ2 e ILEDQ3? PLED1, PLED2 e PLED3? 46 Polarização por Reta de Carga: Retificador. QUESTÕES VB1, VB2 e VB3? R1, R2 e R3? T1, T2, e T3: A mais alta? E a mais baixa? + QUESTÕES VDQ1, VDQ2 e VDQ3? IDQ1, IDQ2 e IDQ3? PD1, PD2 e PD3? 47 Polarização por Reta de Carga: LED. QUESTÕES VB1, VB2 e VB3? R1, R2 e R3? + QUESTÕES VLEDQ1, VLEDQ2 e VLEDQ3? PLED1, PLED2 e PLED3? Imposição: ILEDQ1 = 10 mA ILEDQ2 = 10 mA ILEDQ3 = 10 mA 48 QUESTÕES VB1, VB2 e VB3? R1, R2 e R3? + QUESTÕES VLEDQ1, VLEDQ2 e VLEDQ3? PLED1, PLED2 e PLED3? Imposição: ILEDQ1 = 5 mA ILEDQ2 = 5 mA ILEDQ3 = 5 mA Polarização por Reta de Carga: LED. 49 Q2 Q3 VLEDQ1 VLEDQ2 VLEDQ3 ILEDQ3 ILEDQ2 RESPOSTAS R VLED ILED PLED Circuito 1 ≈1,6kΩ ≈1,6V ≈4mA ≈6,4mW Circuito 2 ≈1050Ω ≈1,7V ≈8mA ≈13,6mW Circuito 3 ≈516Ω ≈1,8V ≈12mA ≈21,6mW Q1 ILEDQ1 QUESTÕES: Traçar as retas de carga para os três circuitos. Calcular as potências dissipadas nos diodos PD1, PD2 e PD3. Polarização por Reta de Carga (exemplo resolvido) 50 Solução alternativa 2: Modelos Simplificados (com base na curva do diodo) 1 – Modelo do Diodo Ideal: tensão VD igual a zero durante a condução e a corrente é zero durante o bloqueio. 2 – Modelo da tensão fixa: Considera VD igual a um valor fixo razoável para qualquer corrente. 3 – Modelo da Reta Inclinada: Considera VD igual a uma fonte de tensão e um resistor em série. 51 Modelos Estático (cc) e dinâmico (ca). 52 D1:1N4148(1/2 W, IMAX=300mA); D2:1N5407(6 W, IMAX=3A) ID1 (A) VD1 (mV) rCC1 (Ω) rca1 (Ω) PD1 (W) ID2 (A) VD2(mV) rCC2 (Ω) rca2 (Ω) PD2 (W) 10-13 0,0007 10-12 0,28 10-12 0,007 10-11 2,8 10-11 0,07 10-10 22 10-10 0,67 10-9 87 10-9 6,4 10-8 170 10-8 42 10-7 253 10-7 129 10-6 337 10-6 235 10-5 420 10-5 344 10-4 504 10-4 452 10-3 587 10-3 562 10-2 670 10-2 677 10-1 754 10-1 843 1 846 0.5 1170 5 938 Preencher a tabela abaixo. Considerar VT = 25 mV. Traçar ID×VD ; e PD×VD . 53 Pesquisa: escrever um resumo para cada diodo abaixo. Retificador Aula 4 Retificadores de Tensão a Diodos Retificador de onda completa com dois diodos (transformador com derivação central) Aula 4 Retificadores de Tensão a Diodos Retificador de onda completa com ponte (quatro) de diodos (transformador com dois terminais) CARACTERIZAÇÃO DO RETIFICADOR DE ONDA COMPLETA CARACTERIZAÇÃO DO RETIFICADOR DE ONDA COMPLETA Projeto CARACTERIZAÇÃO DO RETIFICADOR DE ONDA COMPLETA Projeto: Calcular uma fonte de VE = 3 V; IE = 5 A; ondulação pico a pico VE =1 Volt; e transformador de três fios (x=1). Transformador: Diodos: Capacitor: CARACTERIZAÇÃO DO RETIFICADOR DE ONDA COMPLETA Projeto: Repetir o projeto anterior para o transformador de 2 fios (x=2). Transformador: Diodos: Capacitor: CARACTERIZAÇÃO DO RETIFICADOR DE ONDA COMPLETA Figura 4: Retificadores de onda completa com 2 e 4 diodos com capacitor. (a) (b) Figura 1: Retificadores. (a) onda completa com dois diodos e (b) onda completa com quatro diodos. CARACTERIZAÇÃO DO RETIFICADOR DE ONDA COMPLETA (a) (b) Figura 1: Retificadores. (a) onda completa com dois diodos e (b) onda completa com quatro diodos. Figura 2: Retificadores de onda completa com 2 e 4 diodos sem capacitor. Nomear variáveis; CARACTERIZAÇÃO DO RETIFICADOR DE ONDA COMPLETA x1. Calcular o capacitor, os diodos e o transformador para uma fonte para alimentar um Som Automotivo com potência de 50 W e alimentação de 13,5 V. A ondulação da tensão de saída deve ser de 10% (ou 1,35 V). Usar transformador de secundário a três fios (derivação central). x2. Repetir o cálculo anterior para transformador de secundário a dois fios.
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