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Introdução aos circuitos elétricos

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Material P
(excesso de lacuna)
Material N
(excesso de elétron)
Depleção
Ligação do terminal positivo da fonte geradora no elemento N e do terminal negativo no elemento P
Portadores majoritários do lado N (elétrons) são atraídos pelo polo negativo e o lado P (lacunas) recebem elétrons
Os portadores majoritários se afastam da junção, aumentando a barreira de potencial
Não permite a passagem de corrente através da junção
 
29
Junção PN - Polarização inversa
O semicondutor passa a se comportar como isolante e o aumento da tensão aumenta a região de depleção
elétron
lacuna
Ligação do terminal positivo da fonte geradora no elemento P e do terminal negativo no elemento N
Lado N (elétrons) recebem mais elétrons do polo negativo e o lado P (lacunas) recebem mais lacunas
Elétrons do lado N ganham força para expulsar os elétrons na camada de depleção
Forma-se a corrente elétrica que atravessa a depleção
 
30
Junção PN - Polarizada direta
No semicondutor silício é necessário ter tensão maior que 0,7 volts para romper a depleção
elétron
lacuna
Transistor
Introdução aos circuitos eletrônicos
31
32
Cronologia
Válvula
(1904)
1º Transistor de contato
(1947)
1º Transistor de junção de germânio
(1950)
Diodo
Transistor modernos
Dispositivo de controle da corrente elétrica
TRANSfer reSISTOR, resistência de transferência
Controle do fluxo de corrente
Principais aplicações: amplificador e chave (eletrônica digital)
Classificação
São classificados de acordo com o tipo de portador de carga utilizado para transportar corrente elétrica
 
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Visão geral
Transistores com diferentes encapsulamentos
Transistor de sinal
Transistor de alta potência
Bipolar (Bipolar Junction Transistor - BJT)
Utiliza elétrons livres e lacunas como portadores de carga
Unipolar (Field Effect Transistor - FET)
Usa um tipo de portador de carga, elétrons livres ou lacunas
 
 
34
Tipos de transistor
Tem três terminais, Emissor (E), Base (B) e Coletor (C), com duas junções PN (BE e BC) de material semicondutor, formando dois tipos de polaridades: NPN e PNP
 
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BJT - Constituição
Símbolos
Estrutura
Junção BE
Junção BC
Junção BE
Junção BC
Emissor: altamente dopado; Base: mais fina e menos dopada; Coletor: maior, menos dopado que o emissor e mais que a base
Tipo NPN
Tipo PNP
Exemplo de um transistor de junção bipolar do tipo NPN modelo TO-92L
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BJT - Exemplo
Modelos diferentes de transistores podem ter sequencia de pinos distintos
Zona ativa direta
Usada como amplificadores
Junção BE polarizada diretamente e BC inversamente
Zona de corte (~interruptor aberto)
Interruptores, portas lógicas, circuitos TTL
E polarizada diretamente e junção BC inversamente
Zona de saturação (~interruptor fechado)
Interruptores, portas lógicas, circuitos TTL
Junção BE polarizada diretamente e C inversamente
 
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BJT - Polarização
Quando polarizado diretamente, o canal N deve ser conectado ao polo negativo da fonte e o canal P ao positivo
O controle da corrente que flui entre coletor e emissor é feito injetando corrente na base
Quanto maior a corrente na base, maior o fluxo
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BJT – Polarização / Cont.
Regra prática
Emissor polarizado na polaridade do seu semicondutor
Base polarizada na polaridade do seu semicondutor
Coletor polarizado com polaridade inversa do seu semicondutor
Emissor
Base
Coletor
Emissor
Base
Coletor
N
P
N
P
N
P
-
+
+
+
-
-
+
 
Rc
 
Rb
 
_
Rc
 
Rb
 
+
_
 
Atuação na Zona de Corte (interruptor aberto)
A corrente da base deve ser menor que 0,6~0,7V (para o silício)
Atuação na Zona de Saturação (interruptor fechado)
A corrente da base deve ser maior que 0,6~0,7V (para o silício) até limite definido pelo fabricante
 
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BJT – NPN como chave
Zona de corte
Zona de saturação
ic = 0
ic = Vcc/R
O sinal que deseja ser amplificado é aplicado na base
O coletor passa a ser um múltiplo da corrente da base
 
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BJT – NPN como amplificador
Sinal de saída amplificado
Sinal de entrada natural
Transistor de Efeito de Campo (FET)
O controle da corrente é realizado por meio de um campo elétrico induzido na região condutora
Princípio diferente do BJT, que aplica uma corrente na base
Tipos de transistores FET
FET de Junção (Junction FET - JFET)
FET de porta isolada (Insulated-Gate FET – IGFET), não óxido
MOSFET (Metal Oxide Semicondutor FET)
Os elétrons livres entram na fonte e saem do dreno 
Canal é a camada condutora entre fonte e dreno
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FET – Visão geral
São utilizados tanto na área digital quanto na analógica
Vantagens
Unipolar, depende só do fluxo de portadores majoritários 
Relativamente imunes à radiação
Grande resistência de entrada, tipicamente megaOhms
Menor ruído
Apresentam estabilidade térmica
Desvantagens
Pequeno produto, ganho X faixa de passagem (bandwidth)
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FET – Comparação com BJT
Constituído por uma fina camada de material majoritário com dois contatos ôhmicos, fonte (S) e dreno (D), e dois contatos retificadores interligados chamados portas (G)
 
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FET – Junction FET (JFET)
JFET pode ser do tipo N, onde o canal é N e as portas são P, ou do tipo P com canal P e portas N
Simbologia
Tipo N
Tipo P
Constituído de substrato do tipo P ou N, no qual são difundidas duas regiões fonte (S) e dreno (D)
S e D são do tipo contrário ao substrato
A porta (G) é formada por uma camada de dióxido de silício (SiO2), que é isolante
Sobre ela é depositada uma placa de metal isolada do canal
 
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FET – MOSFET
A tensão da porta (G) deve estar entre 3V e 10V para excitar os elétrons
Vantagens em relação ao BJT
Tamanho mais reduzidos
Processo de fabricação mais simples
Consumo inferior de energia
A porta “carregada” com tensão positiva permanece conduzindo mesmo depois de ser desconectada
Necessário “descarregar” a porta no terra
Tipos
MOSFET tipo depleção
Canal N ou canal P
MOSFET tipo enriquecimento
Canal N (NMOS) ou canal P (PMOS)
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FET – MOSFET / Cont.
Mais utilizados na fabricação de chips
Estreita camada tipo N que interliga fonte (S) e dreno (D) permitindo o fluxo de corrente mesmo quando nenhuma tensão for aplicada à porta (G)
Sendo a porta (G) negativa em relação à fonte (S), a camada de metal fica negativa e polariza o isolante
 
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MOSFET – Tipo depleção
Haverá um estreitamento do canal N, diminuindo a corrente entre dreno e fonte
MOSFET de canal N tipo depleção
Tornando a porta (G) positiva e aumentando a tensão, estabelece-se um contato entre a fonte (S) e o dreno (D), criando o canal de condução
A corrente que circulará entre S e D será função da tensão na porta (G) que controlará a largura do canal
 
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MOSFET: Tipo enriquecimento
Haverá a criação de um canal N entre o dreno (D) e a fonte (S) , permitindo a passagem dos elétrons
MOSFET de canal N tipo enriquecimento
Região de corte
Não há corrente, sem formação do canal
Região de triodo ou linear
Age como um resistor, utilizado como uma chave
Região de saturação
Canal N é deformado, aplicação em amplificadores
 
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NMOS: Regiões de atuação
Quando a porta (G) é colocada em um potencial positivo em relação ao substrato, haverá acumulação de elétrons, formando o canal
 
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NMOS - Funcionamento
Chave aberta
MOSFET de canal N tipo enriquecimento
Chave fechada
Complementary MOS
Quando um FET de canal P é utilizado complementarmente a outro FET de canal N, apenas uma fonte é necessária
Características
Baixa dissipação de energia, excelente margem de ruído e elevada capacitância
 
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CMOS – Princípio
Porta lógica inversora CMOS
NMOS
PMOS
Simbologia
 (a)
Simbologia
(b)
 
51
CMOS – Utilização
Esquema de uma memória de computador RAM utilizando CMOSFET
 
52
CMOS – Fotomiografia
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