1. Materiais Semicondutores

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1 1. Professor: Vlademir de Oliveira Disciplina: Eletrônica I

2 Conteúdo Teoria Materiais semicondutores Dispositivos semicondutores: diodo, transistor bipolar (TBJ), transistor de efeito de campo (FET e MOSFET) e transistor de potência Polarizações do TBJ e FET: polarização CC Modelo a pequenos sinais Resposta em Frequência Classe de amplificadores de potência Configurações compostas Prática Fontes de tensão Curva do transistor Pré-amplificador Confecção de placa de circuito impresso

3 Método de Avaliação A média geral MN será atribuída através do cálculo de uma média ponderada, conforme descrito abaixo: NT= notas de trabalhos. NP = notas de provas. Média geral: MN= NT x 0,2 + NP x 0,8

4 Referências Livro texto BOYLESTAD, Robert; NASHELSKY, Louis. Dispositivos eletrônicos e teoria de circuitos. 8. ed. Pearson. Complementar SEDRA, Adel S.; SMITH, Kenneth C. Microeletrônica. 4. ed. CIPELLI, Antonio Marco V.; MARKUS, Otávio; SANDRINI, Waldir João. Teoria e desenvolvimento de projetos de circuitos eletrônicos. 19. ed.

5 1.1. Composto Elemento Átomo - Número de elétrons em cada nível n Nº elet. Subn s p d f Ex.: 19 Cu 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 1

6 1.1. Valência - Os níveis mais externos são os níveis de valência. - Os elétrons mais externos são os elétrons de valência. Quanto mais longe o elétron está do núcleo, maior será o estado de energia, e qualquer elétron que deixar seu átomo de origem apresentará um estado de energia maior que os da estrutura atômica.

7 1.1. Valência - Na estrutura atômica há níveis de energia discretos associados a cada elétron em órbita. Esses níveis são diferentes para cada material.

8 1.1. Potencial de Ionização A ionização é o mecanismo pelo qual um elétron pode absorver energia cinética suficiente, de fatores naturais, para desprender-se da estrutura atômica e entrar na banda de condução. O potencial de ionização é o gap entre a banda de valência e de condução (E g ) que é conhecia como região proibida. Os fatores naturais podem ser: energia térmica ou fótons.

9 1.1. Semicondutor Material que tem o nível de condutividade intermediário, entre o isolante e o condutor.

10 Si Elemento mais utilizado; nível de pureza alto; facilita dopagem; custo baixo de produção; estrutura cristalina repetitiva.

11 1.1. Processo de dopagem Material intrínseco São semicondutores refinados para obter redução de impurezas, ou seja, os elétrons livres e lacunas são devido a fatores naturais (ionização térmica, etc) Material extrínseco Material é contaminado no processo de dopagem criando os materiais do tipo p e n

12 1.1. Material do tipo n Esses materiais são dopados com impurezas que são elementos pentavalentes, como antimônio, arsênio e fósforo. Ex.: Material do tipo-n dopado com impurezas de antimônio Nesse caso o Sb se torna um íon doador e o elétron que sobra, portador majoritário

13 1.1. Material do tipo n Esses materiais são dopados com impurezas que são elementos pentavalentes, como antimônio, arsênio e fósforo. No material tipo n elétrons são majoritários e lacunas são minoritárias.

14 1.1. Material do tipo p Esses materiais são dopados por elementos trivalentes, como o boro, gálio e o índio. Ex.: Material do tipo-p dopado com impurezas de Boro Nesse caso o B se torna um íon aceitador e o elétron que falta (lacuna), portador majoritário

15 1.1. Material do tipo p Esses materiais são dopados com impurezas que são elementos pentavalentes, como antimônio, arsênio e fósforo. No material tipo p lacunas são majoritárias e elétrons são minoritários.

16 1.1. Nível de energia O nível de energia dos portadores majoritários está muito próximo da banda de condução

17 1.1. Condução - Fluxo de lacunas Os elétrons de valência se deslocam através das lacunas - Fluxo de elétrons Os elétrons livres se movimentam na banda de condução

18 1.1. Diodo Semicondutor O diodo será analisado sem polarização, em polarização reversa e em polarização direta

19 1.1. Diodo Semicondutor Sem polarização (V D = 0) Os portadores majoritários se combinam na junção p-n e formam a região de depleção. O fluxo de carga é nulo em qualquer sentido.

20 1.1. Diodo Semicondutor Polarização reversa (V D < 0) A região de depleção aumenta e os portadores majoritários não ultrapassam o potencial da região de depleção de n para p. Ocorre que os portadores minoritários que surgem na junção são deslocados para p com o potencial imposto por V D, resultando em uma corrente constante, chamada de corrente de saturação reversa I s.

21 1.1. Diodo Semicondutor Polarização direta (V D > 0) Conforme a tensão aplicada cresce, a região de depleção diminui até que o fluxo de elétrons passe pela região, resultando em um aumento exponencial da corrente.

22 1.1. Curva do diodo Usando resultados da física do estado sólido, mostra-se que as características de transferência I d X V d podem ser definidas pela equação: I D ( 1) KV D e T K = I S, sendo K = n n constante que varia entre 1 e 2 dependendo do material e estrutura física do diodo T K temperatura em Kelvin (T K = T C + 273)

23 1.1. Curva do diodo A equação representa as características do diodo para as regiões de polarização direta e reversa. I D ( 1) KV D e T K = I S

24 1.1. Ruptura por Avalanche O efeito avalanche provoca a ruptura da região de depleção no sentido reverso. Assim, a corrente se torna muito maior que I s. (ver aplicações do diodo)

25 1.1. Tensão de disparo O valor aproximado para o início da condução do diodo chama-se tensão de limiar ou disparo (Threshold). V t 0,3V (Ge) V t 0,7V (Si)

26 1.1. Circuitos equivalentes dos diodos São 3 os principais tipos de modelos aproximados: modelo linear, modelo simplificado e modelo ideal.

27 1.1.

28 1.1. Análise por reta de carga Aplicando-se a LKT no circuito obtém-se a reta de carga.

29 1.1. Análise por reta de carga No cruzamento das curvas obtém-se o ponto de operação do circuito ou quiescente.

30 1.1. Ex. 1: Determinar o ponto de polarização do diodo no circuito abaixo. Considerar a curva fornecida.

31 1.1. Ex. 2: Refaça o exercício usando o seguinte método: Trace a curva do diodo (Si) usando pontos espaçados de 0,1V até o limite de V d =1V. Determine I dq e V dq usando a reta de carga. Considere: n = 1,2 T C = 25 C I S = 50nA