Dispositivos Semicondutores

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Introdução aos Sistemas 
Computacionais 
Disciplina: 113468 
 
Prof. Marcus Vinicius Lamar 
 
Dispositivos 
Semicondutores 
UnB/CIC 113468– Introdução aos Sistemas Computacionais 
Condução em Sólidos 
 Carga Elétrica 
 Sólidos cristalinos são aqueles nos quais os átomos são 
arranjados na forma de um reticulado 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Ex.: (a) cobre (b) silício (45.000.000x) 
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Bandas de Energia 
 Nos agrupamentos de átomos as possíveis posições 
dos elétrons são descritas por níveis de energia 
 A concentração de níveis de energia em um sólido 
forma bandas de energia 
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Bandas de Energia em um Isolante 
 Em um isolante, a aplicação de uma diferença de 
potencial elétrico (ddp) não produz corrente. 
 Para que haja corrente, elétrons precisam subir para 
níveis de energia mais altos. 
 No isolante, a banda de condução 
está em um nível de energia muito 
distante da banda de valência 
 Eg é o energy gap, a distância em energia 
entre a banda com os elétrons e a banda 
de condução 
 Ex: no diamante, Eg = 5,5 eV (± 140 x a 
energia térmica média em uma partícula 
livre no ambiente) 
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Bandas de Energia em um Metal 
 Em um metal, o nível de Fermi, que é o nível de energia 
mais alto ocupado por elétrons, situa-se 
aproximadamente no meio da banda 
 A banda de condução está muito próxima deste nível 
 Elétrons precisam de relativamente 
pouca energia para subir para a 
banda de condução 
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Bandas de Energia em um Semicondutor 
 As bandas de energia de um semicondutor assemelham-
se às do isolante 
 a principal diferença é que a distância 
em energia entre a banda de valência e 
a banda de condução é muito menor 
 
 No silício, Eg = 1,1 eV 
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Semicondutores Dopados 
 A substituição de átomos do 
reticulado cristalino dos 
semicondutores por outros 
átomos é chamado de dopagem 
 
 (a) Silício puro 
 
 (b) Introdução de fósforo - 1 elétron 
livre 
 
 (c) Introdução de alumínio - 1 lacuna 
livre (carga positiva) 
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Semicondutores Dopados... 
 Semicondutor tipo-n: são os semicondutores 
dopados com impurezas doadoras de 
elétrons (fósforo, p.ex.) 
 elétrons são os portadores majoritários 
 lacunas são portadores minoritários 
 
 Semicondutor tipo-p: são os semicondutores 
dopados com impurezas com lacunas na 
banda de valência (alumínio, p.ex.) 
 lacunas são os portadores majoritários 
 elétrons são portadores minoritários 
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A Junção p-n 
 (a) uma junção p-n é constituída por um semicondutor onde 
metade foi dopada com impurezas tipo n e a outra metade 
com impurezas tipo p 
 
 (b) portadores majoritários penetram na região oposta, 
formando uma zona de depleção d0 (livre de cargas) 
 
 (c) surge uma diferença de potencial em função das cargas 
armazenadas na zona de depleção. A queda de potencial 
para o lado esquerdo repele elétrons. O aumento de 
potencial para o lado direito repele lacunas 
 
 (d) portadores minoritários fluem para os lados opostos, 
formando a corrente Idrift. Esta é compensada pela corrente 
Idiff, de portadores majoritários 
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O Diodo 
 Aplicando uma diferença de potencial nas extremidades 
de uma junção temos dois comportamentos distintos 
 Potencial mais alto no lado p: flui uma corrente IF através da 
junção 
 Potencial mais alto do lado n: aumenta a zona de depleção, 
corrente IB muito pequena 
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O Diodo como Retificador 
 A condução em uma só direção faz com que o diodo 
funcione como um retificador 
 No circuito abaixo, a tensão positiva gera corrente sobre o 
resistor R, enquanto que a tensão reversa não gera corrente, 
bloqueada pelo diodo 
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Diodo Ideal e Real 
 Símbolo do diodo 
 
 Função de transferência em um diodo ideal 
 polarizado inversamente: I = 0 
 polarizado diretamente: I = ∞ 
 
 Função de transferência em um diodo real 
 a resistência não é zero quando 
polarizado diretamente 
 a resistência não é infinita quando 
polarizado inversamente 
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Diodo Real 
 Polarização direta 
 Apresenta pequena resistência não linear 
 corrente só flui após tensão ultrapassar um limiar de aprox. 0.6 V 
 
 Polarização Inversa 
 resistência não é infinita, rompe sob grandes tensões reversas 
 apresenta pequena corrente de fuga 
 
 Função de transferência real 
“aproximada” 
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Inclinação da reta é 1/Rf, 
resistência diodo 
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Operações Lógicas com Diodos 
 Supondo os níveis de tensão: 
 
 
 
 
 Podemos construir um circuito que realiza uma operação lógica 
considerando a convenção acima 
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Tensão Nível V. Verdade Binário 
0 - 2 V baixo falso 0 
2 - 3 V médio indefinido X 
3 - 5 V alto verdadeiro 1 
A 
B 
S 
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Analisando o Circuito Lógico 
 Quando A = 5V e B = 5V, temos: 
 D1 e D2 não estão polarizados 
diretamente 
 não flui corrente pelo resistor 
 tensão de saída = 5 V 
 
 Quando A = 4V e B = 4V, temos: 
 D1 e D2 polarizados, conduzindo 
 Corrente flui através do resistor e diodos 
 tensão na saída S = 4V + 0,6V = 4,6V 
A 
B 
S 
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Analisando o Circuito Lógico... 
 Quando A = 1V e B = 5V 
 D1 polarizado diretamente 
 Corrente flui em D1 e R 
 Tensão de saída S = 1,6V 
 D2 polarizado inversamente 
 
 Quando A = 1V e B = 1V 
 D1 e D2 polarizados diretamente 
 Corrente flui em D1, D2 e R 
 Tensão de saída S = 1,6V 
i1 
i2 
i3 
A 
B 
S 
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Analisando o Circuito Lógico... 
 Se A = B = 5V, saída S = 5V 
 Se A = 1V ou B = 1V, saída S = 1,6V 
 O fato dos diodos estarem cortados 
ou conduzindo não é fundamental 
para a determinação de S 
A B S 
baixo (F) baixo (F) baixo (F) 
baixo (F) alto (V) baixo (F) 
alto (V) baixo (F) baixo (F) 
alto (V) alto (V) alto (V) 
Função Lógica AND 
 Tabela verdade 
A B S 
0 0 0 
0 1 0 
1 0 0 
1 1 1 
A 
B 
S 
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Função Lógica OU 
 Quando A e B tem valor 1V (baixo): 
 D1 e D2 polarizados diretamente 
 corrente flui por A e B e R 
 saída S = 1V - 0,6V = 0,4V 
 
 Quando A recebe 4V (alto): 
 D1 continua polarizado diretamente 
 saída S = 4V - 0,6V = 3,4V (alto) 
 D2 polarizado reversamente 
i1 
i2 
i3 
A 
B 
S 
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Função Lógica OU… 
 Quando A e B tem ambas valor 5V (alto): 
 D1 e D2 polarizados diretamente 
 corrente flui por A e B e R 
 saída S = 5V - 0,6V = 4,4V (alto) 
 Portanto, S = alto se A ou B forem altos, 
S = baixo se A e B forem baixos 
A 
B 
S 
A B S 
baixo (F) baixo(F) baixo (F) 
baixo (F) alto (V) alto(V) 
alto (V) baixo (F) alto (V) 
alto (V) alto (V) alto (V) 
Função Lógica OR 
 Tabela verdade 
A B S 
0 0 0 
0 1 1 
1 0 1 
1 1 1 
A 
B 
S 
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Lógica com Diodos 
 É possível implementar uma função lógica 
 S = (x AND y) OR z 
 
 Seria possível implementar a função lógica negação: 
 S = NOT(x) 
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Transistor MOS 
 O transistor é um dispositivo semicondutor utilizado como 
amplificador de sinais elétricos (eletrônica analógica) ou 
como uma chave elétrica (eletrônica digital). 
 Tem 3 terminais: 
 porta (gate) : terminal que controla o fluxo de cargas 
elétricas pelo transistor 
 fonte (source) e dreno (drain) : terminais por onde 
flui a corrente elétrica 
 o fluxo de cargas é controlado pelo campo elétrico 
colocado na porta 
 o substrato normalmente é ligado à fonte 
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Transistor MOS 
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Transistor MOS 
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Transistor MOS 
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Transistor MOS 
Slide Prof. Ricardo Reis - UFRGS 26 
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Transistor MOS como Chave 
 Assume-se valor altos com ‘1’ e valores baixos como ‘0’ 
 Transistor NMOS: g=1 => liga g = 0, desliga 
 Transistor PMOS: g=1 => desliga g = 0, liga 
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