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Dispositivos semicondutores: diodos 1 Dispositivos semicondutores: diodos. Diodo de junção PN. Os diodos são dispositivos semicondutores confeccionados na maioria das vezes por uma junção PN. A Fig. 1 mostra o esquema de uma junção de dois materiais semicondutores, um do tipo P e o outro do tipo N. O semicondutor tipo P é o anodo e o semicondutor tipo N é o catodo. O funcionamento do diodo ocorre na região entre o anodo e o catodo, chamada de junção. P NAnodo Catodo Junção PN + - Anodo + Catodo - i D Fig. 1 Diodo de junção PN e símbolo elétrico. A Fig.2a mostra os portadores majoritários em cada material semicondutor: lacunas no tipo P e elétrons livres no tipo N. A estrutura do diodo é contínua de um lado a outro da junção.Devido à continuidade da estrutura cristalina do diodo, os portadores podem se mover através da junção. Após a formação do diodo, alguns elétrons podem migrar para o anodo nas proximidades da junção. Ao encontrar as lacunas, ocorre a recombinação do par elétron-lacuna e, consequentemente, o aniquilamento dos portadores de carga majoritários na junção. A região formada pela neutralização das cargas é denominada região de depleção por não haver portadores de carga (Fig. 2b). A região de depleção não irá crescer muito além da junção por causa do campo elétrico formado. Na verdade, a região de depleção funcionará como um capacitor e o campo elétrico gerado impedirá a migração de novos elétrons livres difundidos do semicondutor tipo N para se recombinar com as lacunas do lado P. Junção P N + + + + + ++ + + + - - - - - - - - - - - - - - Elétrons livresLacunas Junção P N + + + + + ++ + - - - - - - - - - - Região de depleção - + + - - - (a) (b) Fig. 2 (a) Portadores de carga majoritários em cada lado da junção, (b) difusão de elétrons recombinando-se com as lacunas do anodo, formando a região de depleção. Assim, quando um diodo é fabricado, alguns elétrons atravessam a junção e preenchem as lacunas existentes no semicondutor tipo P criando uma barreira de potencial na região próxima à junção. Como na região de depleção não há cargas, é de se esperar que ela funcione como um isolante. Para vencer a barreira de potencial é Dispositivos semicondutores: diodos 2 necessário aplicar um campo elétrico numa direção apropriada, de tal forma a colapsar a região de depleção preenchendo-a com portadores de carga. A Fig. 3 ilustra o processo de colapso da região de depleção através da aplicação de um campo elétrico com o anodo polarizado positivamente e o catodo polarizado negativamente. O sentido convencional da corrente é o sentido das cargas positivas e contrário ao sentido dos elétrons livres. Colapso da região de depleção P N + + + + + ++ + + + - - - - - - - - - - - - - - + - Corrente Fig. 3 Polarização direta do diodo de junção PN. Com o colapso da região de depleção, o diodo passa a conduzir corrente. A condição de operação do diodo mostrada na Fig. 3 é denominada polarização direta (forward bias). Em Eletrônica, a polarização (bias)é uma tensão ou corrente aplicada a um dispositivo para “ligá-lo”. No caso do diodo, a tensão de polarização é aplicada para vencer a barreira de potencial originada pela região de depleção. Se o diodo for polarizado reversamente, isto é, se for aplicado um potencial com polaridade negativa no anodo e positiva no catodo, a região de depleção se alargará, como mostra a Fig. 4. P N + + + + + + + + - - - - - - - - - - Alargamento da região de depleção ++ +- Fig. 4 Efeito da polarização reversa sobre a região de depleção. Como a região de depleção é isolante, o seu alargamento causará o bloqueio do fluxo de corrente pelo diodo. Na realidade, uma ínfima corrente flui devido aos portadores minoritários. O semicondutor tipo P possui alguns elétrons minoritários que serão empurrados para a junção por causa da repulsão causada pelo terminal negativo da fonte de tensão. O semicondutor tipo N, por sua vez, também possui algumas lacunas minoritárias, que serão empurradas para a junção. Dessa forma, uma corrente de fuga se estabelece quando o diodo está polarizado reversamente. Dispositivos semicondutores: diodos 3 Curvas características de diodos de junção PN. Os diodos conduzem numa direção mas não na outra. Esta é a característica mais importante do diodo e que a torna importante em Eletrônica. A curva corrente-tensão ou curva I-V é a curva característica de um dispositivo eletrônico, seja ele um resistor, um capacitor ou um diodo. Enquanto a curva I-V de um resistor que obedece a lei de Ohm (resistor ôhmico) é uma reta, a curva característica de um diodo apresenta uma forma não-linear, como a mostrada na Fig. 5. Quando uma tensão positiva é aplicada entre o anodo e o catodo, uma corrente iD flui através do diodo, desde que essa tensão seja superior a um valor VD determinado pelo tipo e pelo material utilizado na fabricação do diodo. Para um diodo de silício, esse valor de tensão é cerca de 0,6 V, enquanto que um diodo de germânio, a tensão de polarização é cerca de 0,3 V (Fig. 5). À medida que a corrente iD aumenta, a tensão VD também aumenta, porém, a maior queda de tensão no diodo é devido à sua polarização. Se uma tensão reversa negativa VR é aplicada sobre o diodo (do anodo para o catodo), o dispositivo exibe uma grande resistência à passagem de corrente e esta corrente denomina-se corrente de fuga reversa (iR). Se a intensidade da tensão reversa exceder um valor crítico, ocorre uma avalanche de corrente quando os portadores minoritários adquirem energia suficiente para colidir com os elétrons de valência e levá- los para a banda de energia de condução. Este processo causa uma avalanche de portadores de carga e a corrente aumenta rapidamente. A tensão em que ocorre a avalanche de corrente é denominada tensão de ruptura reversa (VBR) e para o diodo de silício está compreendido entre 50 e 1000 V, dependendo do processo de fabricação do diodo. Fig. 5 Curvas características I-V para diodos de germânio e silício A temperatura afeta as características operacionais do diodo, como mostra a Fig.6, por causa da influência da ativação térmica sobre a junção e na criação de Dispositivos semicondutores: diodos 4 portadores majoritários. Normalmente, quanto maior a temperatura, maior será a condutividade elétrica e menor será a tensão de polarização do diodo. Este fato concorda com as características de coeficiente negativo da temperatura (NTC) para os materiais semicondutores. Fig. 6 Curvas características I-V para o diodo de silício mostrando a influência da temperatura. Quando o diodo está conduzindo no sentido direto, isto é, do anodo para o catodo, e a corrente reverte abruptamente, ele se “esquece” de bloquear esta corrente reversa durante um curto intervalo de tempo, chamado tempo de recuperação reversa trr. Durante este tempo, uma grande corrente é conduzida pelo diodo e esta corrente denomina-se corrente de recuperação reversa irr. Processo de fabricação de diodos. Os diodos atualmente são fabricados utilizando-se técnicas desenvolvidas para a fabricação de dispositivos semicondutores, como os transistores e circuitos integrados. A Fig. 7 mostra o fluxograma de fabricação de diodo empregando tecnologia planar. Empregam-se etapas de deposição de polímeros, reação química no estado gasoso e no estado sólido, utilizando-se fornos de crescimento de cristal e de reação química por vapor (CVD). Alguns desses equipamentos estão ilustrados nas Figuras 8, 9 e 10. O aspecto real de um diodo está apresentado na Fig. 11, onde se observa a estrutura de camadas crescidas, depositadas e difundidas, para a fabricação da junçãoPN e das conexões elétricas externas. Dispositivos semicondutores: diodos 5 N+ N N+ N N+ N N P N+ N+ Substrato (Si monocristalino dopado) N+ N Camada epitaxial Deposição Oxidação SiO2 Fotolitografia Luz ultravioleta Máscara Resina fotoresistiva Ataque químico do isolante Dopagem Impurezas tipo P Contatos metálicos Metalização isolante Fig. 7 Processo de fabricação de diodo de junção PN com tecnologia planar (Rezende, 1996). Fig. 8 Esquema de deposição de vapor e crescimento epitaxial. Dispositivos semicondutores: diodos 6 Fig. 9 Forno de crescimento epitaxial. Fig. 10 Forno para deposição e difusão de dopante em cristal semicondutor. Metal Tipo P (anodo) Tipo N (catodo) Isolante (SiO )2 Metal Fig. 11 Esquema de um diodo de junção PN real. Dispositivos semicondutores: diodos 7 Diodo Schottky A Fig. 12 mostra um diodo Schottky. A sua aparência é bastante semelhante à do diodo de junção PN, mas, ao invés de ter uma camada P implantada, ele possui uma barreira metálica denominada barreira Schottky, formando uma junção metal- semicondutor. As guardas constituem-se em anéis metálicos, cuja função é tornar as características de ruptura reversa do dispositivo mais robustas. Tanto o metal quanto o semicondutor são materiais do tipo N, de modo que a condução de carga ocorre apenas através de portadores majoritários, sem haver injeção, armazenamento ou recombinação de portadores minoritários. Isto explica a ausência de recuperação reversa do diodo Schottky, tornando-o ideal para aplicações em altas freqüências, tais como circuitos detectores de alta freqüência ou em circuitos de chaveamento rápido. As características da curva I-V são semelhantes às do diodo PN. Substrato tipo N+ Camada epitaxia l tipo N- Isolante (SiO )2 Metal Guarda Metal Barreira Schottky Fig. 12 Estrutura do diodo Schottky. O que diferencia as características de condução dos diodos comuns em relação aos diodos Schottky é a tecnologia de fabricação e o material usado. Desse modo, para obter uma barreira de condução baixa existem diversas tecnologias que são empregadas, determinando outras características do componente. Enquanto os diodos PN apresentam uma característica de operação de alta temperatura, baixas fugas e uma queda de tensão no sentido direto relativamente alta, os diodos Schottky são projetados para operar em temperaturas mais baixas (< 125oC) apresentando correntes de fugas mais elevadas e uma queda de tensão no sentido direto menor. Nos diodos Schottky de barreira alta o metal usado na barreira é o “nicromo” (Ni-Cr), enquanto que no de barreira baixa o material é o nicromo-platina. O tipo de geometria usada na estrutura do diodo é que vai determinar as características elétricas básicas do componente. A baixa tensão direta, da ordem de microvolts, e o baixíssimo tempo de recuperação da ordem de picossegundos, devem-se ao metal usado no ponto em que se tem a barreira de potencial. Na Fig. 13 é mostrada a curva característica I-V para este componente, observando-se a tensão muito baixa em que ele começa a conduzir quando polarizado no sentido direto. A barreira metálica também é responsável pela baixa tensão de polarização direta do diodo Schottky. A sua desvantagem é a corrente de fuga, muito superior ao do diodo de junção PN. Em algumas aplicações, esta corrente de fuga pode levar ao dispositivo a exceder sua temperatura de junção. À medida que a temperatura da junção aumenta, a tensão de polarização direta cai, enquanto que a corrente de fuga aumenta. Dispositivos semicondutores: diodos 8 Fig. 13 Curva característica I-V do diodo Schottky. A Fig. 14 mostra o gráfico comparativo entre o tempo de recuperação reversa para o diodo PN e o diodo Schottky. (a) (b) Fig. 14 (a) Recuperação reversa de um diodo PN comum e (b) recuperação reversa de um diodo Schottky. Diodo Zener Um diodo Zener é um tipo especial de diodo que opera na região de tensão reversa de ruptura. O efeito avalanche foi observado por Clarence Zener, que propôs a sua utilização como elemento de regulação de tensão. A Fig. 15 mostra o símbolo do diodo zener. Fig. 15 Símbolo do diodo zener. Dispositivos semicondutores: diodos 9 No circuito da Fig. 16, o diodo zener 1N4743 é utilizado como regulador de tensão. Observe que, para tensões reversas maiores do que a tensão de ruptura zener (VZ), um pequeno incremento na tensão causa uma grande variação na corrente reversa no zener. Suponha que a fonte de tensão Vin não seja uma fonte regulada, que forneça uma tensão de 21 V. Esta fonte está conectada a uma carga de resistência RL , para a qual desejamos aplicar uma tensão fixa de +15 V. Observe que o diodo zener escolhido tem tensão zener VZ = 15 V. O resistor R é colocado para limitar a corrente e o seu valor pode ser calculado para limitar a corrente em 20% da corrente máxima do zener (IZ max = 61 mA). Supondo que a corrente para alimentar a carga seja de 150 mA, então podemos calcular R à partir de: Ω= + − = + − = −− 37 10.61.2,010.150 1521 I2,0i VVR 33 maxZL Zin R + - V = 21 Vin i L RVZ Diodo zener 1N4743 VZ = 15 V, 1 W ZZ = 17 Ω a IZ = 17 mA IZ (máx) = 61 mA Fig. 16 Circuito regulador de tensão com diodo zener. Assim, o diodo zener 1N4743 limita a tensão entre os seus terminais em 15 V. A diferença para a tensão de alimentação de 21 V é dissipada sobre o resistor de 37 Ω, limitando a corrente no diodo zener em 12,2 mA (que corresponde a 20% de IZ máx). Se for necessário limitar uma tensão maior, pode-se colocar vários diodos zener em série, de forma que a tensão de regulação é a soma das tensões zener de cada um dos diodos. Diodo Varicap O diodo varicap é um tipo especial de diodo obtido através do controle das condições de fabricação da junção PN. Neste caso, a concentração de dopante na junção é gradual, isto é, a concentração de dopante aumenta de um lado da junção em relação ao outro, de modo que a capacitância da junção varia com a intensidade da tensão reversa. Todos os diodos de junção PN exibem esta característica, porém, no caso do varicap, este comportamento é mais pronunciado, como mostra a Fig. 17. Assim, um varicap é um capacitor controlado por tensão (VCC) e é utilizado em circuitos de sintonia de rádio-freqüência no lugar de capacitores variáveis de ar tipo borboleta. Dispositivos semicondutores: diodos 10 0,1 1 10 100 1 10 100 Diodo varicap Diodo normal C a pa ci tâ n ci a d o d io do (p F) Tensão reversa, VR (V) Fig. 17 Curvas de capacitância para um diodo normal e um diodo varicap. Diodo Túnel O diodo túnel é feito com uma concentração de impurezas acima do normal. Como resultado, a curva característica I-V é diferente daquela apresentada pelo diodo de junção PN de silício, como mostra a Fig. 18. Fig. 18 Curvas I-V para um diodo normal e um diodo túnel. Dispositivos semicondutores: diodos 11 O comportamento do diodo túnel é caracterizado pela presença de um pico (Ip e Vp) e de um vale (Iv e Vv) na curva I-V. A região entre Vp e Vv é chamada de região de resistência negativa porque a corrente diminui com o aumento da tensão. Na região além do vale, o diodo túnel comporta-se como um diodo normal. Se colocarmos o diodo para operar no ponto do meio do vale da curva I-V, ele funcionará como um oscilador de alta freqüência. O nome diodo túnel foi dado porque o fenômeno quântico de tunelamento de elétrons através da barreira da junção foi usado para explicar o seu funcionamento. A Fig. 19 mostra os símbolos eletrônicos de alguns diodos especiais, como o diodo Schottky, diodo varicap e diodo túnel. Diodo Schottky Diodo Varicap Diodo Túnel +- Fig. 19 Símbolos para alguns diodos especiais.Tipos e especificação de diodos comerciais A Tabela 1 apresenta os principais tipos e especificações de diodos para aplicações eletrônicas. De maneira simples, os diodos para aplicações eletrônicas são divididos em três tipos básicos: • 1N4148 (diodos de pequeno sinal) • Família 1N5400 (diodos retificadores) • Família BZX61 (diodos Zener) TABELA 1 Tipos e aplicações de diodos. TIPO USO CORRENTE VR máx. (V) 1N914 detector/alta velocidade 75 mA 75 1N4148 detector/alta velocidade 200 mA 75 BB119 varicap usado em CAF ------ ------ BB809 varicap usado em VHF ------ ------ 1N4001 retificador 1 A 50 1N4002 retificador 1 A 100 1N4003 retificador 1 A 200 1N4004 retificador 1 A 400 1N4005 retificador 1 A 600 1N4006 retificador 1 A 800 1N4007 retificador 1 A 1000 Dispositivos semicondutores: diodos 12 Diodo emissor de luz (LED) A emissão de luz num dispositivo semicondutor ocorre por um processo diferente daquele que ocorre em lâmpadas incandescentes. Enqunato nesta, o processo de emissão de luz ocorre por aquecimento de um filamento, no semicondutor a emissão se baseia em processos quânticos de radiação denominado luminescência. A luminescência é a emissão de fótons que ocorre quando um átomo passa de um nível energético excitado para outro de menor energia. A excitação pode-se dar por absorção de luz (foto-luminescência), bombardeamento com feixe de elétrons (catodo-luminescência) e pela aplicação de campo ou corrente elétrica (eletro-luminescência). A foto-luminescência é o princípio de funcionamento dos lasers de estado sólido; a catodo-luminescência é a base de operação dos cinescópios de aparelhos de TV e a eletro-luminescência acontece nos diodos emissores de luz (LED – light emitting diode). O funcionamento do LED é baseado na eletro-luminescência causada pela injeção de portadores numa junção PN. Quando a junção PN é diretamente polarizada, as lacunas do semicondutor tipo P e os elétrons livres do semicondutor tipo N movem-se em sentidos opostos em relação à camada de depleção. As lacunas injetadas no lado N recombinam-se com os elétrons livres que chegam da camada de depleção, enquanto que os elétrons livres injetados no lado P recombinam-se com as lacunas vindas da camada de depleção. Assim, todos os portadores recombinam-se nas imediações da camada de depleção. Se o semicondutor tiver um gap de energia direto, a recombinação de cada par elétron-lacuna resulta na emissão de um fóton. Por não haver dissipação de energia, o processo de emissão de luz num diodo é extremamente eficiente. Os materiais utilizados na fabricação de LEDs são as ligas ternárias GaxAl1-xAs e GaAs1-xPx, além da liga GaAs. Os LEDs que operam no visível são muito utilizados para a confecção de painéis indicadores de equipamentos elétricos e eletrônicos e na fabricação de displays digitais constituídos de segmentos. (a) (b) Fig. 20 - (a) Fotodiodo e (b) diodo PIN (fotosensor de raios x) Diodo laser A radiação produzida por uma lâmpada incandescente ou por um LED é composta por fótons emitidos espontaneamente por átomos ou moléculas independentes. No processo de emissão espontânea, um sistema quântico passa de um nível energético Dispositivos semicondutores: diodos 13 para outro de menor energia devido a flutuações aleatórias. Conseqüentemente, a fase do campo resultante varia aleatoriamente no tempo e espaço, fazendo com que a radiação seja incoerente. Num laser, a radiação é produzida por amplificação estimulada da luz. Ela resulta das emissões de átomos e moléculas estimuladas por um campo eletromagnético. Neste processo, as fases dos campos dos fótons emitidos estão correlacionados e, em conseqüência, a radiação é coerente. Além disso, a radiação também é altamente monocromática, isto é, o seu espectro de freqüência é bastante estreito. Estrutura do diodo laser (Halliday, 1993) Diodo laser (Halliday, 1993). Diodos de potência Os diodos de potência apresentam além das duas camadas P e N, uma terceira camada (Fig. 21a). A camada N extra e intermediaria às duas convencionais é de baixa dopagem (N-) e sua função é aumentar a capacidade do componente quando aplicado em tensões elevadas. Essa camada acrescenta uma parcela resistiva ao diodo quando em Dispositivos semicondutores: diodos 14 condução. Além disso, a área da seção transversal das junções é maior do que a de um diodo normal, pois a corrente circulante também é maior e isso agrega urna parcela capacitiva ao diodo quando em bloqueio (Fig. 21b). Essas características são indesejáveis porque introduzem distorções na forma de onda da comutação de um diodo de potência, conforme mostra a Fig. 7. Entretanto, como o dispositivo é suficientemente robusto, essas características não deverão afetar o seu funcionamento. Mesmo assim, é recomendável utilizar-se algumas técnicas de filtragem e amortecimento dos transientes provocados pela comutação dos diodos de potência. (a) (b) Fig. 21 (a) Estrutura de um diodo de potência, (b) circuito equivalente de um diodo real. A resistência e a capacitância parasitas formadas em um diodo de potência podem gerar sobretensões no circuito, principalmente quando são chaveadas cargas indutivas. Os novos diodos, denominados “soft-recovery”, minimizam esses efeitos, sendo que sua resposta é da ordem de alguns µs. Apenas como comparação, os diodos mais antigos apresentavam dezenas e até centenas de µs de atraso na comutação. Fig. 19 Formas de onda na comutação do diodo. Dispositivos semicondutores: diodos 15 Modelos comerciais de diodos de potência (Aegis) Recuperação Normal � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � ff fi fl ffi � ! " # ffi $ ffi # % % & ' ( ) * * + , - . - / 0 1 2 3 4 5 6 7 8 0 9 - : ; < = > = ? @ A B = C D E F G H I J K L F G M N O P Q R Q S T U V W V U T X T Y Z [ Q R \ S ] T ^ V W V U T X T Y Z _ ` a b a c d e f ` g ` h i b a d e c b e j c a k e d i l m e c g d ` i n e o f a p a d n e ` a b e p l i h i n e f q l ` h i a j b ` c c ` p i b a d i l e f i b a r s s t u v w x y t z w { w | } | w z w { w ~ w v t { } s u t { { } } s } s y t { } Ł } { s w w ¡ ¢ £ ¤ ¥ ¦ § ¨ § © ª « ¬ ¥ ® « ¥ ª ¯ ¦ ª ° ¬ ¦ ± ² © § ª ¤ ¥ ® ¨ § ª ³ ¥ ² ¦ ¬ « ¥ ´ ³ ¯ ª « ¬ ¬ ´ « ¥ ª ³ µ ¬ ® ¬ ® ¯ ª « ¬ ® ° ¬ ³ ¥ § ¬ « ¥ « § ® ® § ° ª « ¬ Recuperação rápida ¶ · ¸ ¹ º » ¼ · ¶ ¸ ½ ¾ º ¿ À Á ¹ · Â Ã ¸ ¾ º ¿ · Ä Å Æ Ç Æ È É Å Ê Æ Ë Æ È Ì Í Î Ï Ð Ñ Ò Ó Ô Ï Õ Ï Ô Ñ Ö Ö × Ø Ù Ú Ú Ú Û Ü Ö Ý Ö Õ Þ ß Ô Ó à Ï × á â Þ ã Ö ä Ö Ñ Ï ß Ï ã Ó å Ô Ï æ Ó Ñ ã Ö à Ø × Ô Þ ã Ö Ï ç è é ê ë Ü ì Ö Ð Ó ß Ó Ð Ö å Ö Ñ Ï í ê ë î ì ã Ö × Ó ß Ó Ð Ö å Ö Ñ Ï é Ó Ð × Ï Ñ ã ï Ö Õ Ï Ö ß Ö Ñ æ Ï Ñ ð Ô Þ Ö à Ï Ð × Ó Ý Ó Ô à Ï Þ Ó ß Ï Ý â Ö ã Ö à Ï × á â Þ ã Ö Ó ñ ß Þ Ñ Ñ Þ Ý Ö ß Ó Ô Ö â Ï × Ö ß Ó ò ó ô õ ö ÷ ø ù ú û ù ø ú ø ü ý û þ þ ø ù ú ß � � � � � � � � � � � � � � � ø ö ú � û ù ø ÷ ø ù ú � � � ü � þ ú � � � ø ù � � � � ý ø ù � � � � ü û ö û � ø û � ù û ø þ û ù þ ù ø ú ú � û � û ö ø � ý ÷ ø � � ø � þ û � ö � � � ø ú � ù � � ø ö û � ø � � � � û û � � ø � ff û ú û ú � � û ú þ û ù � ø � û � ø � � ú ú � þ � û ù Diodo Schottky fi fl ffi � ! 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Disponível online http://www.aegis.com.br/produtos.htm BARANAUSKAS, V.Técnicas instrumentais de caracterização de semicondutores. Campinas: Editora da UNICAMP, 1989. DIEFENDERFER, A.J. Principles of electronic instrumentation. Philadelphia, PA: Sauders College Publishing, 1979. HALLIDAY, D., RESNICK, R., WALKER, J. Fundamentals of physics – Extended with modern physics. New York: John Wiley, 1993. MILLMAN, J. & HALKIAS, C.C. Electronic devices and circuits (International student edition). Tokyo: McGraw-Hill Kogakusha, 1967. SCHULER, C.A. Electronics principles and applications. New York: McGraw-Hill, 1985. REZENDE, S.M. A física de materiais e dispositivos eletrônicos. Recife, PE: Editora Universitária da UFPE, 1996.
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