Experiência 06 Resistores e Propriedades dos Semicondutores

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1 Universidade Federal de Santa Catarina Departamento de Engenharia Elétrica Laboratório de Materiais Elétricos EEL 7051 Professor Clóvis Antônio Petry Experiência 06 Resistores e Propriedades dos Semicondutores Fábio J. P. Bauer Tiago Natan A. Veiga Florianópolis, agosto de 2006.

2 Sumário 1. Objetivos Introdução Parte teórica Resistência de Folha Efeito Hall Parte prática Descrição do Circuito Integrado Ensaio do laboratório Material utilizado Medida das resistências Efeito Hall Efeito da Temperatura Conclusão...Error! Bookmark not defined. 6. Referências

3 1. Objetivos Apresentação de conceitos básicos acerca resistores integrados (resistência de folha). Medir valores de resistência a partir de um circuito integrado projetado na Universidade Federal de Santa Catarina. Compreensão e observação do efeito Hall e da influência da temperatura na medida da resistência. 2

4 2. Introdução Este roteiro destina-se a ser o primeiro de uma série de experimentos a serem realizados com um conjunto de circuitos integrados desenvolvidos por um consórcio entre três empresas (Motorola, Compugraphics International e Scottish Enterprise) e a Universidade de Edimburgo, Escócia. Os dispositivos foram feitos utilizando o processo CMOS da Motorola, o qual também é usado para produzir uma ampla gama de dispositivos comerciais, incluindo blocos lógicos, muito empregados em eletrônica. São ao todo quatro chips, cada um contendo dispositivos e aplicações didáticas distintas. O primeiro contém um conjunto de resistores, o segundo possui transistores MOS, o terceiro é composto de diodos de junção p-n e fotodiodos, e o quarto, de um circuito oscilador em anel. O CI em estudo nesse ensaio foi projetado pelo Laboratório de Circuitos Integrados da UFSC com a finalidade de se facilitar a compreensão do funcionamento de componentes integrados. É um CI de 40 pinos para fins didáticos que apresenta em seu interior resistores e transistores MOS do tipo P e do tipo N. A seguir serão discutidos conceitos em relação a resistência de folha e o efeito Hall. Os resultados obtidos no ensaio de laboratório para a medição das resistências do CI e a comprovação o efeito Hall serão mostrados e analisados em seguida. 3. Parte teórica 3.1 Resistência de Folha O conceito de resistência pode ser entendido pela dificuldade de passagem de corrente elétrica sob um elemento de um circuito. Em termos das dimensões desse elemento a resistência é definida como: 3

5 l l R.. A t. w Onde: R = resistência; = resistividade do material; l = comprimento; A = área do material; t = espessura; w = largura. A resistência integrada é construída a partir da deposição de materiais semicondutores e filmes metálicos no interior do circuito integrado. Assim variando-se os parâmetros relacionados acima pode-se obter diferentes valores de resistência. Altera-se na prática o valor da área já que se tem pouco controle sobre a espessura. Assim, a razão / t é constante e chamada de resistência de folha. 3.2 Efeito Hall O efeito Hall consiste num fenômeno de aparecimento de uma diferença de potencial perpendicular à corrente elétrica que passa em uma placa feita de material metálico ou semicondutor. Como há corrente elétrica passando na placa, existem elétrons em movimento. Se for aplicado um campo magnético perpendicularmente à placa, há o surgimento de uma força magnética que tende a deslocar os elementos portadores de carga (elétrons ou lacunas) para as extremidades da placa na direção perpendicular à passagem da corrente. O acúmulo dessas cargas gera uma diferença de potencial entre as extremidades. Essa d.d.p. é chamada de potencial Hall. A figura a seguir ilustra esse fenômeno: 4

6 Figura 1 Efeito Hall Fonte: Observa-se na figura acima que há passagem de corrente I na direção x e há a presença de uma indução magnética B na direção z. Os elementos portadores de carga são então deslocados na direção y, fazendo com que haja o aparecimento do potencial Hall V H. 4. Parte prática Descrição do Circuito Integrado O chip usado no ensaio foi produzido com a tecnologia AMIC5 0,5 µm SCN3ME, contém 7 resistores feitos com diferentes dimensões e matérias, para que o usuário possa comparar suas diferentes propriedades, bem como fazer testes com associações série e paralelo. O chip também conta com 4 transistores CMOS do tipo N e 4 transistores CMOS do tipo P, estes que tem por objetivo dar ao usuário um conhecimento básico sobre o funcionamento dos transistores e mostrar como eles podem ser combinados para dar origem a circuitos lógicos. O layout interno do CI é mostrado a seguir: 5

7 Figura 2 Layout do circuito integrado Fonte: Esse CI possui 40 terminais com diferentes funções. A pinagem e a descrição dos terminais referentes aos 7 resistores são mostrados na tabela 1: Tabela 1 Descrição do CI Fonte: 6

8 A tabela 2 mostra agora um detalhamento sobre as características dos resistores internos ao CI: Tabela 2 Características dos resistores integrados Fonte: Podem-se ver os diferentes valores de resistência que se obtém variando-se as dimensões (área W e L) e material (resistividade), como foi visto na parte teórica. Ensaio do laboratório O ensaio de laboratório é dividido em 3 partes. A primeira é a verificação dos diferentes valores de resistência do CI. A segunda parte é a comprovação do efeito Hall por meio da medida do potencial Hall. Em seguida será verificada a influência da temperatura no valor da resistência Material utilizado 1 CI didático desenvolvido pelo Laboratório de Circuitos Integrados UFSC. 1 Multímetro Minipa ET 2020 A 1 lâmpada incandescente 220V/100W 2 resistores de 1kΩ 1 Fonte CC de 5V (bancada) 1 termômetro infravermelho com mira a laser da 7

9 4.2.2 Medida das resistências Com a utilização do multímetro foram realizadas as medidas de resistência para os diferentes resistores internos ao chip, como mostra a tabela 3: Tabela 3 Valores teóricos e valores medidos das resistências do CI Os valores medidos de resistência encontram-se na última coluna da tabela acima. Percebe-se que os valores se diferenciam consideravelmente do nominal em alguns casos, porém os valores medidos não variam muito em comparação aos mesmos valores de resistência, por exemplo, para o resistor de 1k as medidas foram de 1,386k e 1,380k. A variação em relação ao valor nominal é relativamente alto, porém se comparados entre si a variação é muito menor. Isso se deve ao fato ao processo de fabricação que o CI é submetido. Cálculo das resistências de folha: l l Para o cálculo das resistências de folha usemos a relação R... A t. w Isolando t, temos K n Rn. w. Calculando-se K para os resistores R t l 1 ao R 7 do CI, primeiramente usando os valores nominais e posteriormente os valores medidos chega-se: 8

10 Valores nominais: K 1 = 20,833; K 2 = 20,833; K 3 = 648,95; K 4 = 20,752; K 5 =(dimensões não fornecidas) ; K 6 = 769,23; K 7 = 22,267; Valores medidos: K 1 = 28,875; K 2 = 28,75; K 3 = 701,42; K 4 = 34,241 K 5 =(dimensões não fornecidas) ; K 6 = 1051,54; K 7 = 35,63; Há uma diferença entre os valores nominais e os medidos de resistência. Logo, há também uma diferença dos valores das resistências de folha, já que foram calculadas a partir das resistências. Essa variação se deve ao fato do processo de fabricação do CI. A precisão dos valores da resistência é afetada pois se tem pouco controle sobre a espessura da camada de material semicondutor depositado. Percebe-se assim uma variação considerável entre o valor medido e o valor nominal, porém não há muita variação dos valores medidos para um mesmo valor de resistência. Essa alteração é pequena pois a fina camada de material é uniforme (t constante) resistência de folha bem próxima para o mesmo valor de resistência. Nota-se também que os valores de resistência de folha devem ser o mesmo para o mesmo material (K 1 = K 2 = K 4 = K 5 = K 7 e K 3 = K 6 ) uma vez que só depende da resistividade do material, sabendo que a espessura é constante. Isso também não ocorre com precisão pois há erros de construção com relação às dimensões dos diferentes resistores. 9

11 4.2.3 Efeito Hall Para a comprovação do efeito Hall foi montado o circuito a seguir: Foi aplicada uma tensão entre os terminais 24 e 27 do CI. O retângulo representa um resistor interno ao chip (R 5 ). Entre os terminais 22 e 26 é medida o potencial Hall. Os valores medidos foram os seguintes: Tabela 4 Comprovação do Efeito Hall Quando a tensão aplicada é nula, não há elétrons em movimento e conseqüentemente não há acúmulos de cargas nas extremidades, sendo assim o potencial Hall nulo. Ao aplicarmos uma tensão à placa, os elétrons entram em movimento e aparece a força magnética que faz com que haja acúmulo de carga nas extremidades horizontais. Esse acúmulo de cargas faz aparecer uma tensão de baixo valor 0,3mVchamada de potencial Hall Efeito da Temperatura A temperatura é um fator que altera consideravelmente o valor da resistência elétrica. Associados ao aumento da temperatura encontram-se, em geral, dois efeitos: o aumento da energia cinética dos elétrons, que eleva a 10

12 densidade de elétrons livres disponíveis para suportar o fenômeno da condução elétrica, e o aumento da agitação térmica dos átomos, que, pelo contrário, reduz a mobilidade das cargas elétricas. No primeiro caso, como a energia cinética dos elétrons é maior, há maior facilidade de se conduzir a corrente elétrica, ou seja, a resistividade do material diminui. No segundo caso a mobilidade das cargas elétricas diminui, dificultando a passagem de corrente e assim aumentando o valor da resistividade do material. É a preponderância de um ou outro destes mecanismos que conduz à diferença de comportamentos manifestada pelos materiais. Para a verificação da variação da resistência com a temperatura, uma lâmpada incandescente foi ligada próxima ao chip para que houvesse aumento de temperatura. Com o auxilio do multímetro a resistência entre os pinos 36 e 37 foi medida. A temperatura foi mensurada com o auxílio do termômetro à mira laser. Os resultados obtidos fora os seguintes: Tabela 5 Variação da resistência com a temperatura Observando a tabela chega-se a conclusão que para o material do resistor R 4 Polysilicon, o valor da resistência aumenta com a temperatura, ou seja, a resistividade do material aumenta. Logo, nesse caso, o efeito dominante nesse material é o segundo, ou seja, a agitação térmica das moléculas faz com que haja maior dificuldade de movimentação das cargas elétricas. Nota-se também que quanto maior a área do resistor maior será a quantidade de calor absorvido e por conseqüência o efeito será mais acentuado. 11

13 5. Conclusão O presente trabalho mostrou a definição e descrição de resistência de folha e efeito Hall através da análise de um circuito integrado didático projetado na UFSC. Medidas de diferentes valores de resistências foram feitas nesse CI. Esses valores apresentaram erro em comparação aos valores nominais devido ao processo de fabricação. Porém, esses valores não se distanciam entre si para um mesmo valor de resistência. Posteriormente o efeito Hall abordado na parte teórica foi comprovado através da medição do potencial Hall em um resistor integrado em forma de placa. Quando foi aplicada uma tensão nos terminais desse resistor, nas extremidades laterais apareceu uma tensão, que é o potencial Hall, devido ao desvio apresentado pelas cargas elétricas, que tendem ir para as extremidades laterais do resistor. Foi abordado também o efeito da temperatura sobre o valor da resistência. Observou-se que quanto maior a temperatura, maior o valor da resistência. Quando há o aquecimento do material, a agitação térmica das moléculas aumenta, o que dificulta a passagem dos elétrons para a banda de condução. Assim, a resistividade desse material aumenta, provocando o aumento no valor da resistência. 12

14 6. Referências [1] PETRY, C.A. Resistores e propriedades dos semicondutores. Disponível em.<www.inep.ufsc.br/~petry/>. [2] ESTIG: Efeitos da temperatura. Disponível em: <http://www.estig.ipbeja.pt/~lmgt/cee/misc/sebenta_online/cap_03/efeitos.htm>. 13

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