07/12/2016. Ewaldo Luiz de Mattos Mehl. Departamento de Engenharia Elétrica Condutores. Magnéticos

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1 Ewaldo Luiz de Mattos Mehl Departamento de Engenharia Elétrica 1 Resistentes Supercondutores Condutores Dielétricos Materiais usados em Engenharia Elétrica Semicondutores Magnéticos 2 1

2 Materiais semicondutores São sólidos geralmente cristalinos de condutividade elétrica intermediária entre condutores e isolantes. Os semicondutores são, quando puros e cristalinos, a temperaturas muito baixas, excelentes isolantes. Ao contrário dos metais, a condutividade dos semicondutores puros (intrínsecos) aumenta significativamente com a temperatura [este comportamento intrigante foi o motivo inicial das pesquisas sobre o mecanismo de condução da corrente elétrica nos semicondutores]. 3 Proibida Proibida Proibida E F Nível de Fermi Allowed Proibida metais semicondutores dielétricos Nos semicondutores um pequeno incremento de energia é suficiente para promover elétrons para uma banda superior. 4 2

3 1833: Michael Faraday observou que o sulfeto de prata [Ag 2 S] diminuía sua resistividade com o aumento da temperatura. 1851: Johann Hittorf estudou o efeito da temperatura no Ag 2 S e no Cu 2 S. 1873: Willoughby Smith verificou que o selênio, quando exposto à luz, decrescia significativamente sua resistência elétrica 1874: Karl Ferdinand Braun observou que sulfetos metálicos conduziam a corrente elétrica num só sentido. 1876: Adams & Day descobrem o efeito fotovoltaico no selênio. 1883: Charles Fritts constrói a primeira fotocélula de selênio (eficiência < 1%) 1914 Johan Koenigsberger classificou os materiais em metais, isolantes de condutores variáveis 1925 E. Presser patenteou o retificador a óxido de selênio 1926 O. Grondahl patenteou o retificador a óxido de cobre Rudolf Peierls estabeleceu a teoria de bandas energéticas proibidas e permitidas em sólidos cristalinos 1931: Werner Heisenberg apresentou o conceito de lacunas como decorrência de uma ligação covalente incompleta 1935 Russel Ohl desenvolveu um método de purificação do silício baseado em refusão, que acidentalmente criou uma junção p-n na interface de impurezas ( quase invenção do transistor!) 1938: Walter Schottky & Neville F. Mott de forma independente lançam uma explicação para o efeito retificador de uma junção metal semicondutor baseada em barreira de potencial 1938 Boris Davydov lançou uma explicação para o efeito retificador da junção entre cobre metálico e óxido de cobre baseada em uma junção p-n 1945 William Shockley lança a ideia de um dispositivo amplificador baseado no efeito do campo elétrico em uma barra de material semicondutor (transistor de efeito de campo ). No entanto as tentativas de construção de um dispositivo físico baseado neste princípio falham. 6 3

4 George Clarke Southworth ( ) Bell Labs Cristais de galena (PbS) em radares Russel Shoemaker Ohl ( ) Penn State University Bell Labs Diodos de Silício Karl Lark-Horovitz ( ) Purdue University Propriedades elétricas dos cristais de Germânio John Bardeen lança a teoria de que o dispositivo vislumbrado por Schokley não funcionava devido a cargas superficiais na interface entre o semicondutor e o eletrodo de metal. Schokley não concorda com esta explicação, mas Bardeen mesmo assim publica um artigo com a sua teoria John Bardeen & Walter Brattain, desejando demonstrar praticamente a influência das cargas superficiais, constroem um transistor de germânio. 8 4

5 1948 John Bardeen & Walter Brattain publicam um trabalho descrevendo o dispositivo que construíram, usando pela primeira vez a palavra transistor John Shive constrói um transistor de germânio com o coletor e o emissor em lados opostos de uma fina lâmina de germânio provando que o efeito transistor se dava no interior do semicondutor e não na superfície como imaginavam Bardeen & Brattain Bardeen, Brattain & Schockley são agraciados com o Prêmio Nobel de Física. 9 transfer resistor Dispositivo de chaveamento da Corrente Elétrica Dimensões reduzidas em relação às válvulas eletrônicas I c I c +I b C B E I b Uma pequena corrente possibilita o controle de uma grande corrente! 10 5

6 Bell Labs Western Electric Produção artesanal Uso em telefonia 1950: US$ 16 a US$ 25 (cada) Transistor Western Electric, 1950 Aparelho de Surdez Zenith, : A Western Electric inicia licenciamento de fabricação Texas Instruments, Dallas, TX Licensa: US$ 25 mil Curso de 8 dias Equipamento detetor de submarinos por anomalia magnética Texas Instruments, II Guerra Mundial Gordon Teal Bell Labs TI 1953: US$ : Transistor de Si 6

7 Motorola, Chicago 1928: Irmãos Galvin: Carregadores para baterias 1930: Radiola (RCA) para automóveis: MOTOROLA 1935: Equipamento de rádio para a polícia de Chicago 1942: II Guerra Mundial: Handie-Talkie 1952: Licença do Transistor 1956: Transistores 14 7

8 Tokyo Tsushin Kogyo Kabushiki Kaisha, Japão (Tokyo Telecommunications Engineering Corporation) 1953: Akio Morita: Licensa do Transistor 1954: Leo Esaki: Transitores NPN (Esaki: Prêmio Nobel, 1973) 1955: Rádio SONY: US$ Ge Si GaAs Ge: temperatura, oxidação, preço elevado Si: necessidade de purificação elevada GaAs: aplicações ópticas Domínio do silício na eletrônica atual metalóides 8

9 1947: Bardeen, Brattain & Shokley inventam o transistor no Bell Labs 1955: Schockley sai do Bell Labs e funda a empresa Shockley Semiconductor em Palo Alto, CA (cidade natal de Shockley) 1956: Bardeen, Brattain & Shokley recebem o prêmio Nobel de Física pela invenção do transistor Schockley 1957: Robert Noyce e mais 7 colegas saem da Shockley Semiconductor e vão trabalhar na recém-criada divisão Fairchild Semiconductor, na empresa Fairchild Camera Corporation 1959: Robert Noyce fabrica o primeiro Circuito Integrado na empresa Fairchild Noyce : Robert Noyce & Gordon Moore: saem da Fairchild e fundam a Intel (+ Andy Grove, investidor) Robert Noyce Gordon Moore Início da Intel: design house de circuitos integrados 1969: Frederico Fred Faggin na Fairchild desenvolve o MOSFET (transistor metal-óxido-semicondutor com terminal de gate isolado) Fred Faggin 1970: Faggin passa a trabalhar na Intel 1970: Faggin, Marcian Ted Hoff & Stanley Mazor: projeto de CIs para a ETI Busicom Nippon Calculator Co. + Masatoshi Shima, Engenheiro da Busicom que juntou-se à equipe da Intel nos EUA: primeiro microprocessador Intel

10 Texas Instruments 1958: Jack Kilby Concepção do circuito integrado Fabricação experimental de 2 transistores integrados Não gerou produto industrial imediatamente Protótipo em Ge 19 Fairchild Semiconductor 1958: Jean Hoerni: método epitaxial para fabricação de transistores 1959: Robert Noyce: circuitos integrados em Si A pesquisa de Robert Noyce gerou produtos industrias imediatos Robert Bob Noyce 1959: Primeiro CI Fairchild com 4 transistores aprox. 4 mm x 2 mm 20 10

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