Resumo oficial 2 Prova ate aula 19

Aula 9 (Início da segunda prova)  Semicondutores  Tudo que já foi explicado anteriormente é válido, um material semicondutor tem a capacidade de emular o comportamento de um condutor e de um isolante, deve ter o mínimo de impureza possível, não suporta variações bruscas de aquecimento.  Digamos que uma energia é aplicada ao átomo, e com isso o elétron ganha energia, entra em movimento e sai do átomo, gerando um espaço vazio no espaço que ele ocupava. Este espaço vazio tem o comportamento de uma quasipartícula, sendo denominado de buraco eletrônico ou vacância. Neste espaço é gerado uma carga positiva igual à carga do elétron (carga negativa) que estava lá anteriormente, e quando essa carga entra em movimento, também gera corrente elétrica. No momento em que o elétron se movimenta e deixa o buraco eletrônico, o elétron que ficou tende a “tapar” o espaço deixado pelo primeiro, e assim sucessivamente. Ou seja, a corrente elétrica é a contribuição do movimento dos elétrons e dos buracos eletrônicos, principalmente nos semicondutores, porque nesses materiais a quantidade de elétrons é muito menor que nos condutores.  O GAP é neste material é < 2eV. Com isso os elétrons são capazes de conduzir eletricidade com pequenas energias (como em células fotovoltaicas de Si), fazendo com que o elétron saia do seu átomo e vá para outro, gerando corrente elétrica.  Os tipos de materiais semicondutores são muito variáveis, como diodos, transistores, leds, diacs, triacs, etc. E todos eles são baseados no Arsenieto de Gálio (AsGa), Silício (Si) e Germânio (Ge). A grande variedade de dispositivos se deve ao polimorfismo que estes elementos apresentam, sendo que para gerar esses dispositivos alteramos a relação elétron-vacância, pois naturalmente a quantidade deles são exatamente iguais para gerar estabilidade.  A corrente elétrica pode ser de dois tipos: real ou convencional, no qual são opostos matematicamente.  Portador de carga – porta a capacidade de gerar corrente elétrica (elétrons e vacâncias). Os elétrons que estão presentes na banda de condução também têm a capacidade de “tapar” os buracos eletrônicos da banda de valência, gerando um processo dinâmico.  Como vimos, a carga do buraco eletrônico é igual à carga do elétron que o deixou, só que no sentido oposto, porém, o buraco eletrônico “não existe”, sendo apenas um espaço vazio com carga positiva. Com isso, a relação carga-massa dos elétrons é diferente dos buracos eletrônicos. Assim temos que entender como a rede funciona. Por exemplo, no momento que o elétron se desloca para fora do seu átomo gera o buraco eletrônico carregado positivamente, sendo que o elétron é uma partícula e apresenta massa e velocidade, ou seja, momento . Mas o que seria a massa do buraco eletrônico pois este também apresenta momento? A massa do buraco eletrônico nada mais é que a massa da rede, sendo o conjunto inteiro da célula unitária e dos agrupamentos da célula.  Seguindo esse pensamento, o elétron apresenta uma massa muito menor que a dos buracos eletrônicos, assim sua mobilidade é muito maior, fazendo com que tenha mais facilidade de se movimentar e gerar corrente elétrica. É necessária uma pequena voltagem para fazer o elétron se movimentar, enquanto no buraco eletrônico é necessária uma alta voltagem. Por isso, a corrente gerada pelos elétrons é diferente da corrente gerada pelas vacâncias. ( ).  A corrente elétrica medida é a contribuição das vacâncias e dos elétrons. E isso é muito importante porque nos sistemas digitais temos processadores que são baseados nas correntes dos elétrons e outros baseados na corrente dos buracos, tendo densidades de corrente e mobilidade diferentes, gerando chaveamentos e processamentos diferentes.  Semicondutores na tabela periódica          Quando combinados entre si os metais das colunas II, III, V e VI assumem propriedades semicondutoras. Na coluna IV estão os semicondutores naturais que são o Si, o Ge e o Sn, sendo que o estanho é muito ruim atuando como semicondutor. Por isso, podemos considerar apenas o Si e Ge. Os semicondutores à temperatura criogênica que dão origem aos supercondutores. O Si e o Ge não foram usados para fazer ótica devido à transição indireta. (Aula 10) Os elementos destacados à esquerda da coluna IV (II e III) são metais (condutor), e à direita (V e VI) são metaloides (isolante). Um exemplo da combinação desses materiais é o Arsenieto de Gálio (AsGa; III e V), muito utilizado para fazer ótica (transição direta). Os elementos da coluna IV, apresentam naturalmente 4 elétrons na última camada, e para gerar estabilidade basta unir outros átomos do mesmo elemento nas ligações. Semicondutores sintéticos – é a união de elementos dentro dos destacados que apresentam diferentes quantidade de elétrons na última camada, tendo interações das colunas III e V ou das colunas II e VI. Como exemplo temos o AsGa e o InSb, conhecidos como compostos III VI, e CdTe (II VI). Classes de semicondutores Intrínsecos – são os semicondutores que apresentam quantidade de elétrons iguais ao de buracos eletrônicos. Eles são puros, feitos pela natureza, sendo poucos. E eles apresentam um grande problema que é a facilidade de o elétron da BV tem de passar à BC. O GAP do intrínseco é menor que 2eV (muito pequeno) e são muito sensíveis à elevação de temperatura, na faixa de . Por isso são pouquíssimos utilizados na engenharia. Uma das poucas aplicações dos semicondutores intrínsecos são nas células fotovoltaicas de Si e nos termistores (utilizado para detectar variações de temperatura através da sua queda de resistência, sensor térmico). A corrente é baseada nos elétrons e nas vacâncias, porque para cada deslocamento de elétron é gerado um buraco, mantendo o sistema e igual. Essas correntes se somam, porque mesmo sendo em sentidos contrários, elas apresentam cargas também opostas. GAP se modifica com a variação negativa da temperatura (próximo de 0K), porém para efeito prático essa mudança pode ser desprezada e admitindo o GAP fixo. Para modificação desse GAP e criar novas características são adicionados outros elementos com o objetivo de criar uma “escada” de níveis de energia. Esse processo se chama de dopagem (colocar uma “impureza” ao elemento para controlar o nível de energia entre as bandas). Essa dopagem é controlada, tendo proporção de impureza na faixa de 1/1trilhão.  Extrínsecos – são semicondutores com dopagem controlada e que não apresentam variações bruscas de temperatura quando comparada aos intrínsecos. Eles que são utilizados na engenharia. São os artificialmente impuros.  Tipo N – A sua dopagem ocasiona excesso de elétrons no sistema (carga . Por exemplo, quando realizamos a interação do Silício com o Fósforo (SiP), onde o Si apresenta 4 elétrons na última camada e o P 5 elétrons, desta maneira ficamos com 1 elétron de excesso. Por causa disso, a corrente nos dispositivos com esse tipo de material é baseada nos elétrons e isso aumenta a condutividade desse material. O GAP do material dopante faz com que a energia necessária para o elétron ir à BC seja diminuída. Os elementos doadores são o As, P, Sb (coluna V).  Tipo P – A sua dopagem ocasiona excesso de buracos eletrônicos (carga ) e faz com que sejam acrescentados próximos à BV. Isso faz com que as correntes nesses dispositivos sejam baseadas nos buracos eletrônicos. Os elementos receptores são Al, Ga e In (coluna III). A aplicação mais importante desses semicondutores (p e n) está na chamada junção pn.   A magnitude da descontinuidade de energia geralmente decresce quando nos deslocamos das posições mais altas para as mais baixas na tabela periódica. A mobilidade dos elétrons em um dado semicondutor é muito maior que a mobilidade de buracos, pois o elétron tem massa muito menor. Isso será importante quando se considera o uso de semicondutores tipo N em contraste com os do tipo P. Aula 10 (continuação-semicondutores)           Quando você tem uma dopagem do tipo P (positivo), você está colocando muitos buracos eletrônicos dentro do semicondutor, a energia dos buracos (orbitais vazios) está próxima da banda de valência. No caso do tipo N (negativo), a energia dos elétrons em excesso vai está próximo da banda de condução. Todo semicondutor age da mesma forma? Não, quando você doa buracos ou elétrons para um semicondutor seja natural ou artificial (AsGa-principal), o que você vai fazer é com que esses elétrons e buracos ajam de forma diferente da convencional, já que eles naturalmente são diferentes, o elétron é partícula pontual carregada e o buraco é uma quasipartícula. A rede cristalina dos semicondutores é uma estrutura anisotrópica, ou seja, dependendo do lado do cristal que você observa você vai ter um comportamento diferente do obtido no outro lado, o cristal não apresenta uma simetria. Isso é importantíssimo nos semicondutores, por que é por causa dessa propriedade que você obter semicondutores com comportamentos diferentes e, portanto, aplicações diferentes. Isto explica por que existem os semicondutores não-óticos (analógicos) e os óticos (digitais). O semicondutor quando num dispositivo ele é isolante (NÃO TEM TENSÃO APLICADA) quando você coloca tensão sobre ele começa a ser um condutor ou um isolante, depende da tensão aplicada, ou seja, a ddp a qual ele é submetido vai fazer com que ele sai do isolamento, natural dele, e se torne um condutor ou continue emulando um isolante. Além disso, essa ddp é baixíssima, já que o gap é . Por que um semicondutor (dispositivo) é naturalmente isolante? Pois desta forma é mais fácil controlar seu comportamento, é mais simples fazer com que ele sai do comportamento isolante e passe para um comportamento condutor, emule o condutor. Transição direta e indireta A luz nada mais é do que um processo foto eletrônico, que você deu energia para o elétron e ele sai da banda de valência vai para a banda de condução, ao chegar nesta banda ele decai eletronicamente, decai em energia, por algum processo, liberando essa energia que ele ganhou na forma de luz. Não é todo semicondutor capaz de gerar luz, dessa forma existem os semicondutores óticos e não-óticos (analógicos). O Silício e o Germânio geram dispositivos baseados na transição indireta, quando você dá energia aos elétrons desses elementos e eles conseguem ir à banda de condução, mas conseguem produzir uma corrente elétrica efetiva, isto significa que energia não foi suficiente para ele começar a conduzir de verdade, o elétron tende a voltar à banda de valência, nesse momento o elétron começa a devolver o excesso de energia que ele havia ganhado, começa a desperdiçar uma boa quantidade dessa energia, isso faz com que vá para o gap, como é uma região proibida, o elétron devolve o restante de energia em excesso e retorna à banda de valência. Da banda de condução até o gap, a energia devolvida é convertida em fónons e calor. Do gap para a banda de valência, a energia devolvida é convertida em luz. No caso do GaAs (Arseneto de gálio), o elétron ganha energia, vai para à banda de condução, não consegue se manter lá, decai em energia e retorna diretamente para à banda de valência, por isso é chamado de transição direta. Nesse processo, toda energia devolvida é na forma de luz. Nos dispositivos formados a partir do Arseneto de Gálio, eles geram luz de forma direta, já nos dispositivos baseados em silício e/ou germânio de forma indireta. Arseneto de Gálio é bom para a fotoeletrônica. Fotodetectores, foto emissores, fotorreceptores, fotodiodos, controladores de alto frequência são feitos de GaAs, nesses casos a luz é o produto. Quando você não quer que seja gerada luz, saindo do digital e indo para o analógico, você vai utilizar o silício e o germânio.                As bandas de energia não têm uma forma linear, e sim uma forma gaussiana. Isso se dá por um motivo simples, em um átomo os elétrons mais afastados do núcleo têm mais energia, portanto na rede cristalina há átomos com mais energia e átomos com menos energia. Isso é importante, pois o que vai interessar é topo da banda de valência e o vale da banda de condução, pois é esta distância (energia) que o elétron precisa atravessar para chegar à banda de condução, se estiverem alinhadas. A transição indireta ocorre quando num cristal o máximo da banda de valência e o mínimo da banda de condução estão em lados diferentes do cristal, como no caso do silício e do germânio. A transição direta ocorre quando o máximo da banda de valência e o mínimo da banda de condução estão no mesmo lado do cristal, estão alinhados, como ocorre no GaAs. Mobilidade eletrônica - É a capacidade do elétron de se movimentar dentro da rede, que depende da sua ligação ou da própria rede. O que faz com que a mobilidade dos elétrons mude é: Potencial oscilante da rede – depende da rede que o elétron está, se a rede é positiva ou negativa, do ponto de vista e cargas, o elétron vai andar mais ou menos. Presença de impureza – colocando-se um dopante, ele vai tapar o caminho pelo qual o elétron iria passar. Defeitos cristalinos – deformação da rede, erro de rede. Tipos de corrente Deriva: Obriga o elétron a andar por meio de uma ddp, obriga a corrente elétrica a acontecer. Difusão: Depende da composição química, natural. Variação da concentração de corrente e condutividade com a temperatura O semicondutor aumentou a temperatura ele sente muito. Não suporta aquecimento. O aumento da temperatura causa um aumento significativo da condutividade do semicondutor. Junção PN A única forma de gerar um dispositivo a partir de um semicondutor é através da junção PN. Quando um semicondutor do tipo p (falta de elétrons, excesso de vacâncias) é adicionado a um do tipo n (excesso de elétrons), de modo que a interseção entre eles forme uma junção de mudança gradativa de característica de condução. Pode ser vista como uma propriedade natural dos dispositivos semicondutores. Nos semicondutores do tipo p, as impurezas introduzidas criam do ponto de vista energético níveis de energia ligeiramente acima do topo da banda de valência, nível de Fermi próximo da banda de valência. Já no tipo n, as impurezas introduzidas criam do ponto de vista energético níveis de energia ligeiramente abaixo da banda de condução, nível de Fermi próximo a banda de condução. Graças à junção PN temos tudo hoje de eletrônica digital. Logo após a formação da junção PN, alguns elétrons livres se difundem (corrente de difusão) do semicondutor tipo n para o semicondutor tipo p. O mesmo processo ocorre com algumas lacunas existentes no semicondutor tipo p que difundem para o semicondutor tipo n. Isso acontece porque o elétron quer preencher o orbital vazio. Assim, ocorre      simultaneamente a formação de duas correntes elétricas que se somam a do elétron e a do buraco. A formação da depleção ocorre naturalmente. Como a corrente é de difusão em certo momento o movimento dos buracos e dos elétrons cessa, fazendo com que uma quantidade de elétrons do lado n para o lado p e uma quantidade de buracos passe para o lado n, mas esses portadores de carga ficam próximos à região de interseção dos semicondutores, eles não conseguem penetrar totalmente os semicondutores, formando uma região chamada de depleção. Com o aparecimento da região de depleção, o transporte de elétrons para o lado p é bloqueado, pois estes são repelidos da região negativamente carregada do lado p. O mesmo efeito se aplica para lacunas cujo transporte para o lado n é repelido pelas cargas positivas existentes no lado n da junção. Portanto, imediatamente após a formação da junção, uma diferença de potencial positiva é gerada entre os lados n e p. Essa barreira de potencial previne a continuação do transporte de portadores através da junção PN não polarizada. Quando a barreira se formar, naturalmente, o dispositivo semicondutor se transformar num dispositivo isolante. Dependendo da forma (polarização) que o campo elétrico é aplicado sob a junção ela passa a conduzir ou não. Com a junção formada o novo gap do material é o próprio gap da barreira, isto é, a altura da colina de potencial na figura abaixo, o . Aplicando-se uma tensão nas extremidades deste dispositivo, com o lado negativo na região p e o lado positivo na região n, o seguinte fenômeno se processa. A energia de todos os elétrons da região p irá aumentar e a energia dos elétrons da região n irá diminuir aumentando assim a barreira de potencial entre as duas regiões. Elétrons na banda de condução da região n, para ir à banda de condução da região p, têm de subir toda a "colina" de energia que as separam, na junção, além de sofrer a repulsão do campo elétrico negativo do outro lado. Isso resulta numa resistência muito alta na junção e a condução de corrente é mínima, pois a junção está sob polarização reversa. Se agora conectamos a fonte de tensão com o negativo na extremidade n e o positivo na extremidade p, a chamada polarização direta, a barreira de potencial diminuirá, ou seja, a altura da "colina" de potencial na junção diminuirá. Muitos elétrons na região n terão já energia suficiente para subir essa colina e atravessar a junção, em direção à banda de condução da região p. Ou seja, a resistência da junção cai repentinamente, permitindo alta condução elétrica. Em adição, os elétrons da região n sofrem atração pelo campo elétrico positivo agora presente na região p. Logicamente, falamos dos elétrons que já estão presentes nas bandas de condução de cada semicondutor. Observação: região de esgotamento – região de vazamento. Vazam buracos do p para assim como vazam elétrons do n para o p. Aula 11  Diodos  Será o primeiro dispositivo elétrico a ser estudado e é a base de formação de todos os outros dispositivos semicondutores utilizados na engenharia elétrica, como os diacs, triacs, transistores, etc. A combinação dos diodos P/N irá formar essa variedade de dispositivos. Todo mundo sabe o símbolo de um diodo. O diodo é um dispositivo passivo e assimétrico (anisotropia).  O diodo é um componente que pode se comportar como um isolante e um condutor, dependendo da forma como a tensão é aplicada em seus terminais. Esse semicondutor apresenta simultaneamente um lado com a barreira N e outro com a barreira P (junção PN). A corrente de difusão presente no interior da região de depleção é responsável pela queda de tensão no diodo e nos outros dispositivos. Semicondutores em geral não suportam tensão alternada.  Funcionamento do diodo  Devido à junção PN, existe a presença natural da barreira de proteção (contenção), formando um campo elétrico que faz com que os elétrons e as vacâncias não passem para o lado oposto, como já foi explicado na aula 10.  Quando que o diodo passa a conduzir? Ele irá conduzir ao ser aplicado um nível de tensão acima da energia potencial do sistema, que nada mais é que a diferença entre as bandas de condução do lado N e do lado P. Assim a corrente de deriva aplicada pelo nível de tensão irá superar a corrente de difusão da região de depleção fazendo com que os elétrons passem para o lado P e os buracos para o lado N.  A corrente de difusão é gerada pelos portadores minoritários do sistema, que são formados pelos dopantes do semicondutor extrínseco.  A energia potencial do sistema depende inteiramente do elemento que compõe o dispositivo. Para o Ge é de , para o Si de e para o AsGa de .  Polarização - Dependendo da forma como a polarização de tensão é aplicada no diodo ele modifica seu funcionamento.  Sem tensão ( ) – O diodo se comporta como um isolante, já que a região de depleção não se modifica.  Polarização direta ( ) – Temos dois casos nessa parte. Caso a ddp aplicada for menor que a energia potencial do sistema ( ), a maior parte dos elétrons e vacâncias (lacunas) não terão capacidade de atravessar a junção PN, com isso será gerado apenas uma pequena condução no diodo, quase desprezível. Quando a ddp é maior que a energia da barreira ( ), será exercida uma pressão sobre a região de depleção, fazendo com que ela se compacte e facilite a travessia dos elétrons e das vacâncias. Isso acontece por causa da repulsão eletrônica que acontece quando a ddp é aplicada, como vemos na imagem anterior. A carga positiva aplicada pela ddp faz com que as vacâncias do lado P se repulsam, sendo forçadas a se aproximar da região de depleção, o mesmo comportamento acontece do lado N, só que com s elétrons .  Polarização inversa ( – Situação de fácil entendimento. Como a ddp está com polaridade diferente do natural do diodo, as cargas serão atraídas pelo polo negativo da ddp, se afastando da barreira e as cargas serão atraídas pelo polo positivo da ddp, também se afastando da barreira. Com isso, a pressão sobre a região de depleção diminui, fazendo que com que aumente seu tamanho, dificultando mais ainda a travessia de elétrons e buracos. Ou seja, o diodo terá mais dificuldade ainda de conduzir nessa situação. Dizemos que o diodo está em bloqueio.  Características da barreira eletrônica  Na imagem temos que o nível de Fermi é constante e a junção PN está em equilíbrio. Mas porque este nível é constante? Antes do contato das regiões p e n da junção, portanto antes de alcançar o equilíbrio, realmente os níveis de Fermi nas regiões p e n não são iguais. A desigualdade destes níveis faz com que, ao se efetuar o contato, elétrons da região n migram para o lado p e lacunas da região p migram para o lado n. Isto porque os elétrons no lado n tinham inicialmente maior energia no lado n que no lado p e analogamente para as lacunas, estas tinham inicialmente maior energia no lado p que no lado n (portadores de carga majoritários, por isso a barreira é assimétrica). Como a natureza procura o equilíbrio com o sistema com a mínima energia, temos este fluxo inicial de portadores. Em equilíbrio, a probabilidade de ocupação de todos os estados em certo nível de energia, ao longo de todo a material, deve ser a mesma. Situação análoga é observada ao conectar-se, por meio de um cano, dois tanques de água, inicialmente com níveis diferentes de água. A situação de equilíbrio é alcançada com os níveis de água nos dois tanques se igualando.  O elétron é uma partícula carregada leve, já a vacância é uma partícula pesada. Quando aplicamos um nível de tensão no sistema, temos que a pressão aplicada pela ddp será a mesma no lado P e no lado N, certo? Desse modo, se uma mesma pressão é aplicada em partículas de diferentes massas, qual irá se movimentar mais facilmente? Obviamente o que tiver menos massa, no caso o .  As partículas são mais pesadas que os . Isso significa que teremos um acumulo de cargas do lado P mais compacta que do lado N, ou seja, do ponto de vista operacional teremos no lado P uma grande quantidade de carga num espaço menor, já que o elétron de pequena massa não consegue empurrar a vacância pesada.  Isso muda no lado N, pois como o é mais pesado, ele é mais ignorante e não consegue frear. Assim, a barreira do lado N formado pelos portadores de carga é maior que do lado P. Por isso a barreira é assimétrica.  Curva característica  A curva característica dos dispositivos explica seu modo de operação. É um gráfico que relaciona tensão aplicada x corrente de condução. O diodo é um material não ôhmico (não linear). Ao lado temos a curva característica de um elemento de Si e de Ge. Para o Ge, temos que ele entra no regime de condução apenas a partir de e no Si a partir de .  Através da curva também verificamos que enquanto a tensão sobre o diodo não ultrapassa um valor limite, que corresponde ao potencial da barreira , a corrente através do diodo permanece muito pequena. A partir desse valor, a corrente no diodo pode aumentar substancialmente sem que cause aumento significativo na queda de tensão no diodo.  Quando o diodo é reversamente polarizado, existe uma corrente de fuga que aumenta gradativamente com o aumento da tensão inversa nos terminais do diodo. No caso do Si observamos esse comportamento quando a corrente de fuga satura no valor de negativo.  Tempo de relaxação (Tempo de recuperação reverso)  É o tempo que o dispositivo demora para alargar e comprimir a região de depleção, ou seja, é o tempo gasto na transição entre isolamento/condução.  Esse valor é muito importante pois irá indicar a frequência de operação do dispositivo.  Dispositivos com alto tempo de relaxação são lentos e não são utilizados para chaveamentos ou em sistemas de alta frequência, como os leds. Já os com baixo tempo de relaxação fazem a transição isolamento/condução muito rapidamente, sendo ideais em sistemas de chaveamento rápido, como em processadores, amplificadores, telecomunicações, etc.  Nos diodos de junção PN (lenta recuperação), esse tempo é na faixa de microssegundos, enquanto nos diodos Schottky é na faixa de nanossegundos (rápida recuperação).  A figura abaixo mostra um caso onde o diodo conduzia diretamente ( ) e que, depois de desligado, existe um tempo em que a corrente flui no sentido inverso ( ). Aula 12  Retificadores  Uma das funções do diodo de junção PN é a retificação de onda alternada. O diodo retificador converte níveis de tensão alternada para níveis de tensão contínua, realizam a conversão CA-CC. Existem duas maneiras de conversão CA-CC, para alta potência e para baixas potências.  Conversão em alta potência  Utiliza um grupo motor-gerador. O motor é alimentado pela tensão alternada da rede, gerando um torque que é transferido para o gerador, e o gerador vai converter esse movimento mecânico em uma corrente contínua. O grande problema desse tipo de conversão é grande perda de potência. Por isso, é utilizado apenas para altas potências.  Conversão em baixa potência  É feita por diodos de junção PN. O diodo é capaz de gerar conversões entre AC-DC, mudando a forma da onda, transformando uma onda alternada em uma onda pulsada, mas completamente positiva. Os retificadores podem ser classificados de três formas:  Segundo a sua capacidade de ajustar o valor da tensão de saída (controlados x não controlados). Os retificadores não-controlados são aqueles que utilizam diodos como elementos de retificação, enquanto os controlados utilizam tiristores ou transistores. Os não-controlados apresentam na sua saída uma tensão que ainda não é contínua, existe uma ondulação. Os controlados já apresentam a retificação com um valor contínuo, sem ondulações.  De acordo com o número de fases da tensão alternada de entrada (monofásico, trifásico, hexafásico, etc.).  Em função do tipo de conexão dos elementos retificadores (meia ponte x ponte completa).  Tipo de conexão dos elementos retificadores (não-controlados)  Retificador de meia onda  Usualmente topologias em meia ponte não são aplicadas. A principal razão é que esta conexão gera problemas quando a carga do sistema é indutiva ou capacitiva. A meia onda gera problemas de aquecimento nesta situação e, portanto, perdas de potência.  O diodo ideal com polarização direta comporta como uma chave fechada e com polarização reversa comporta como uma chave aberta.  Funcionamento do circuito: Para o ponto A positivo em relação a B, o diodo está polarizado diretamente e conduz. A corrente circula de A até B passando pelo diodo e RL. Para o ponto A negativo em relação a B, o diodo está polarizado inversamente e não conduz. Tem-se corrente em RL somente nos semiciclos positivos de entrada. Os semiciclos positivos passam para a saída e os semiciclos negativos ficam no diodo. A frequência de ondulação na saída é igual à frequência de entrada.  Quando o diodo está inversamente polarizado ele não conduz, portanto, teoricamente, a tensão na carga é zero. Entretanto, isso não acontece. O que se observa é um pequeno valor de tensão negativa que corresponde ao gap do semicondutor em questão, no caso do silício é 0,7v e do germânio é 0,3v.  Uma das poucas aplicações é na rádio frequência.  Retificador de onda completa utilizando transformador com derivação central ou com partição  Há uma defasagem de 180º entre as tensões de saída do transformador, VA e VB. Quando A é positivo, B é negativo, a corrente sai de A passa por D1 e RL e chega ao ponto C, não há condução por D2 (polarização reversa). Quando A é negativo, B é positivo, a corrente sai de B passa por D2 e RL e chega ao ponto C, não há condução por D1. Para qualquer polaridade de A ou de B a corrente IL circula num único sentido em RL e por isto, a corrente em RL é contínua. Temos somente os semiciclos positivos na saída. A frequência de ondulação na saída é o dobro da frequência de entrada.  A função da partição é fazer com os diodos não fiquem em série, fazendo com que os diodos trabalhem um alternando ao outro, é um aterramento para gerar dois caminhos. A bobina do secundário do transformador é dividida em duas, o que aumenta o volume transformador. Essa retificação é utilizada para dispositivos grandes, como por exemplo, gerador, motor. Retificações para dispositivos menores usa-se a configuração em ponte.  Retificador de onda completa em ponte  O retificador em ponte dispensa o uso do transformador com partição. Quando A é positivo em relação a B, a corrente sai de A passa por D1, RL, D3 e chega ao ponto B, D2 e D4 estão em aberto e não conduzem. Quando A é negativo em relação a B, a corrente sai de B passa por D2, RL, D4 e chega ao ponto A, D1 e D3 estão em aberto. Conduzem somente dois diodos de cada vez. Quando o ponto A é positivo D1 e D3 conduzem. Quando o ponto A é negativo D2 e D4 conduzem. Para qualquer polaridade de A ou de B a corrente IL circula num único sentido em RL e por isto, a corrente em RL é contínua. Temos somente os semiciclos positivos na saída. A frequência de ondulação na saída é o dobro da frequência de entrada. A frequência é o dobro, pois temos o dobro de pulsação pelo mesmo período.  Essa configuração é própria para dispositivos pequenos, como carregador de celular.  Aplicação dos retificadores em ponte - fonte de alimentação 1. Transformador: Diminui a amplitude da onda sem modificar sua forma. Diminui a tensão para um valor próximo ao desejado. 2. Retificador: Composto por diodos, no caso dos não-controlados, tem a função de alterar a forma de onda, tornando uma onda alternada em pulsativa, porém totalmente positivo. 3. Filtro: A ondulação na saída do circuito retificador é muito grande o que torna a tensão de saída inadequada para alimentar a maioria dos circuitos eletrônicos. A filtragem é realizada por um capacitor. A filtragem nivela a forma de onda na saída do retificador tornando-a próxima de uma tensão contínua. A função do capacitor é reduzir a ondulação (o ripple) na saída do retificador e quanto maior for o valor deste capacitor menor será a ondulação na saída da fonte. O problema de capacitores com valores de capacitância muito grande é o seu elevado tempo de carregamento, diminuindo, o que diminui a frequência de operação. Além disso, capacitores com alta capacitância são bem grandes. Dessa forma apenas o filtro não suficiente para tornar a onda linear, contínua. 4. Regulador: Para tornar a forma de onda linear (ou contínua) é utilizado um diodo zenner ou CI. Ele elimina o ripple da onda. Aula 13 – Fabricação, Aplicações e diodos Schottky  Processo de fabricação de diodos  Nesse processo de fabricação são empregados etapas de deposição de polímeros, reação química no estado gasoso e sólido e crescimento de cristal. A imagem abaixo mostra o fluxograma do processo de fabricação do diodo.  Temos inicialmente o Si puro.  Agora o Si foi dopado com um excesso de elétrons ao ser ligado ao fio metálico, cujo tem o objetivo de melhorar o contato ôhmico. Agora o Si é extrínseco. O significa que o Si tem muito elétrons no sistema. A função desse excesso de elétrons é reduzir as perdas de potência.  Crescimento do cristal – aumentar o tamanho físico do chip de Si. A camada é bem menor que a camada (diferente da imagem).  Processo de oxidação – o chip Si é aquecido à 400°C (imagem tá errada), ocasionando uma reação química com o oxigênio e formando o , que é uma camada isolante na superfície do material.  Fotoligrafia – é o processo de pintura do material envolvendo luz. Tem o objetivo de formar uma máscara para o proteger determinadas áreas do chip. A máscara pode ter várias formas. É inserido uma camada de resina fotossensível (esmalte), que tem a capacidade de se solidificar quando recebe luz UV, se tornando insolúvel em solvente. Entretanto, as partes que não estão sob o efeito da luz UV não se tornam insolúveis em solvente, e é justamente a máscara superior à essa resina que protege certas áreas da ação da luz. A máscara irá moldar a forma do chip. A luz UV tem o objetivo de queimar o que não desejamos que apareça na máscara, e após a queima será gerado o negativo.  Teremos a camada de Si e a camada de resina com um buraco devido a não solidificação da área protegida pela máscara, fazendo com que essa área ainda fosse solúvel ao solvente que foi aplicado, criando um canal até o que será utilizado para dopagem de impurezas do tipo P, porém, esse canal ainda não está aberto devido a presença da camada de . Para retirada dessa camada isolante, o chip será submetido à ação de um ácido, já que tem a capacidade de retirar a base .  Dopagem – após a abertura do canal, o chip pode ser dopado com as impurezas tipo P. Para isso, sofrerá a ação do gás (Arseneto de Hidrogênio) com aquecimento na faixa de , que irá penetrar na abertura criada gerando a dopagem P. Desse modo, nós criamos a barreira PN. Esse processo tem o nome de implantação iônica e é feito por laser.  Agora para finalizar temos a inserção dos contatos metálicos por metalização.  De acordo com os 8 processos acima que são criados os dispositivos semicondutores (mosfets, leds, transistores, CIs, chip de computadores, etc.). Ao lado temos um esquema real de um diodo de junção PN.  Circuitos de aplicações dos diodos PN  Além dos retificadores vistos na aula 12 temos ainda outros circuitos de aplicações envolvendo diodos PN.  Circuito ceifador (limitador positivo)  O circuito ao lado planifica a parte positiva da onda senoidal de tensão alternada aplicada (climpar). Nessa configuração, a tensão de pico terá uma queda de tensão equivalente à queda de tensão do diodo (0,7V para o Si).  Funcionamento do circuito – quando a tensão está positiva e ligada ao lado P do diodo, ele está em condução, e com queda de tensão de 0,7V no caso do Si, e esse nível de tensão permanece constante no nível da queda de tensão do diodo (0,7V) até que a polaridade da onda não se modifique, onde o diodo pare de conduzir.  Se for colocado outro “climplamento” (diodo em paralelo reversamente polarizado com o primeiro), a planificação será feita na parte positiva e na parte negativa da onda senoidal, com funcionamento análogo ao limitador positivo. E se a frequência do sistema for elevada, será imperceptível a transição no tempo da forma planificada da onda na parte positiva e na parte negativa, fazendo um gerador de pulsos. Mas lembrando que o diodo PN tem alto tempo de relaxação e não são utilizados em alta frequência.  Circuito limitador polarizado  O circuito mostrado ao lado tem a capacidade de planificar uma onda senoidal nos polos positivos e negativos, e com a capacidade de controlar a queda de tensão de pico da fonte alternada. A queda de tensão no diodo continua em 0,7V (Si), mas as fontes V1 e V2 fazem com que o nível da planificação da onda seja controlado.  Funcionamento do circuito – o funcionamento é o mesmo de um circuito ceifador, se diferenciando na aplicação das fontes V1 e V2, que ao serem utilizadas, se complementam à queda de tensão de 0,7Vdo diodo e alteram a amplitude da planificação.  Circuito Grampeador (clamper)  Ao contrario que o nome do circuito indica, ele não tem a capacidade de cortar a onda. Sua função é de “deslocar” a onda, com o mesmo formato de sinal, que contém valores positivos e negativos, para apenas valores positivos. Isso faz com que dispositivos que não podem receber tensões negativas possam receber a forma do sinal vinda da fonte alternada.  Funcionamento do circuito – um capacitor é colocado alinhado à fonte e em paralelo ao diodo. Durante a polarização negativa da fonte de tensão, o capacitor será carregado, e no momento que a polaridade for invertida, o ramal do diodo fica em aberto e a energia armazenada no capacitor será descarregada sobre à carga, fazendo com que sempre receba valores positivos de tensão.  Telecomunicações  A área de Telecom trabalha essencialmente com transmissões de sinais, e para sua propagação ser feita com eficiência deve ser em altas frequências, e para isso utilizamos um decodificador.  Temos um exemplo de transmissão de onda sonora. A nossa voz é de baixa frequência, e para ser transportada, a forma de onda da voz será sobreposta em uma onda de alta frequência. Essa onda de alta frequência não contém informação, servindo apenas para o transporte. A informação está apenas na parte superior da onda.  A sobreposição dessas ondas é feita por um injetor de propagação de sinal.  Quando a onda é receptada pela antena, teremos que ter um circuito retificador para transformar a onda alternada em onda continua. A onda retificada passará a um decodificador ( ), e devido ao diodo PN a onda de alta frequência não será sentida pelo sistema, apenas a parte superior da onda será detectada, justamente a onda que contém a informação da nossa fala, assim, a onda que sairá do decodificador será exatamente a forma de onda da voz, pois para ele a onda de alta frequência nem existe.  Tipos de diodos  Diodo de barreira schottky  O diodo schottky não é um diodo com um lado P e outro lado N. Ele é feito com uma heterojunção (os diodos PN são feitos com uma homojunção). Na heterojunção desse diodo teremos um semicondutor ligado à uma barreira metálica, como podemos ver na imagem ao lado.  Processo de formação da barreira schottky – No caso dos diodos PN tínhamos a transição de energia dos portadores entre as BC do lado N e do lado P. Nos schottky temos a presença da camada metálica, cujos níveis de energia BC e BV estão praticamente sobrepostos, e também a parte semicondutora que têm a BC longe da BV. Obviamente verificamos que as bandas do semicondutor e do metal não são iguais. E ao ser fornecido tensão nesse sistema (dependo do nível), em vez de ser criado uma corrente será destinado energia para a ionização.  Energia de ionização – é o efeito quando o elétron do metal passa da BV para a BC ganhando muita energia, ele é capaz de se soltar do átomo (o elétron é arrancado do átomo), e se transferir por decaimento energético para a BC do semicondutor. A energia mínima para isso tem o nome de energia de ionização. Esse efeito é o grande responsável pela transferência de elétrons entre metal semicondutor. Os elétrons do metal têm trabalho maior para chegar à energia de ionização que os semicondutores devido às diferentes configurações entre as BC e BV de cada um.  Através da ligação metal semicondutor forma-se uma barreira potencial de trabalho. Essa barreira é formada porque os elétrons têm de se transferir para um material diferente do qual ele estava originalmente. Isso significa que nem todas as vezes que for aplicada tensão sobre esse material ele irá conduzir, o que é um funcionamento básico dos diodos. Como os níveis de energia de ionização são diferentes entre o semicondutor e o metal, o material é isolante sem ddp sobre ele. Quando for aplicado uma tensão diretamente polarizada no diodo , os níveis de energia de ionização se alinham, gerando a transferência instantânea de elétrons, e quando a tensão for reversamente polarizada, os níveis se distanciam mais ainda, gerando o isolamento.  Devido à rápida transferência de elétrons nesse diodo, ele é capaz de operar em altas frequências.  O diodo schottky pode ser do tipo P e do tipo N.  Schottky tipo P – nesse caso, o Si está com excesso de vacâncias, assim na condução os elétrons passam do metal para o semicondutor Si.  Schottky tipo N – os elétrons do Si se deslocam para o metal. (1h23min e 1h25min)  Nesse diodo a corrente gerada será majoritariamente dos elétrons, devido a impossibilidade de haver a transferência de buracos eletrônicos do metal para o semicondutor. E como temos menos portadores, a corrente no schottky é mais baixa. O nível de tensão que esse diodo suporta também é menor, pois se fosse aplicada uma ddp muito elevada as cargas iriam se acumular na solda, gerando aquecimento, perdas e queimando o diodo.  Frequência máxima de 5GHz e tensão máxima de 5V.  Curva característica  O valor de chaveamento do Schottky é menor que do diodo PN, mesmo sendo feito do mesmo material (Si). A tensão de chaveamento é de 0,3V. Na imagem abaixo temos que a região próxima ao nível de tensão nula está invertida. O diodo schottky não apresenta aquela depressão na curva, pois isso mostra o efeito de recuperação reverso do diodo PN. Aula 14  Tipos de diodos (continuação)  Diodo Zener  Utilizado como regulador de tensão, isto é, ele mantém a tensão sobre uma carga constante e de valor Vz (tensão de Zener). É feito da mesma forma que o diodo de junção PN, a única diferença é que o zener possui uma dopagem maior (1019--1020 cm-3). Essa dopagem em excesso é responsável por dar características especiais a ele. Ele opera em polarização reversa. Ele se comporta como um diodo comum quando polarizado diretamente.  Ele suporta tensões reversas próximas à tensão de ruptura e consegue manter a tensão de saída estável. O diodo zener, ao contrário do que ocorre com o diodo comum, é fabricado para justamente trabalhar com polarização reversa, desse modo, quando a tensão de ruptura do diodo zener é atingida a mesma torna-se praticamente constante independentemente do valor da corrente que passa pelo mesmo. Por possuir essa característica, o diodo zener é normalmente utilizado como regulador de tensão. Se a tensão passar muito desse valor o diodo irá queimar, a região de depleção vai esticar tanto que vai romper. Tensão de ruptura é um valor de tensão reversa a partir do qual a corrente aumenta sensivelmente, abruptamente.  Tensão zener (Vz)  É o valor de tensão no qual o diodo zener entra em condução, quando polarizado reversamente. Os valores de tensão são padronizados pelos fabricantes.  Efeito zener  Ele acontece com baixa tensão e alta concentração de dopantes. Como os lados da junção são muito dopados, a região de depleção será menor, pois a pressão é maior. Assim, a barreira de potencial é menor. Ao ser aplicada uma ddp reversa, os elétrons do lado p ganham energia suficiente para vencer a barreira e retornam para o lado n, gerando uma corrente reversa, uma corrente de fuga.  Efeito avalanche  Ocorre em altas tensões e baixas concentrações de dopantes. A partir de um certo valor de tensão aplicada ao diodo, o elétron do lado p é fortemente arremessado para lado n devido à alta tensão, haverá choques dos elétrons livres com a rede cristalina, retirando os elétrons da rede e formando buracos eletrônicos. Ocorrerá um efeito multiplicativo, aumentando consideravelmente o número de portadores de carga disponíveis para condução de corrente. Esse efeito faz com que a corrente aumente rapidamente devido ao movimento simultâneo das duas cargas ( e ).  Esses dois efeitos (zener e avalanche) ocorrem simultaneamente no diodo zener, porém para determinadas condições de dopagem e tensão você vai ver um efeito se sobrepor ao outro. São esses efeitos que fazem o zener ser utilizado como regulador de tensão.  Diodo de Tunelamento ou Túnel  Tunelamento quântico (ou efeito túnel) é um fenômeno da mecânica quântica no qual uma partícula pode escapar de regiões cercadas por barreiras potenciais mesmo se sua energia cinética for menor que a energia potencial da barreira, isso significa que um elétron pode sozinho (no sentido de sem ajuda) gerar corrente elétrica. O diodo túnel possui tal denominação em virtude de seu princípio operacional vincular-se ao conceito da mecânica quântica que afirma existir uma probabilidade finita de um elétron afunilar-se através de uma barreira de energia, a qual não pode superar.  Trata-se de uma junção PN feita com semicondutores com altas concentrações de impurezas, maior do que no diodo zener. Ele opera em polarização direta, não suporta polarização reversa. Ele se difere dos demais diodos, pois ele é capaz de gerar tensão quando submetido a uma faixa bem específica de tensão.       A elevada dopagem neste diodo produz uma região de depleção muito estreita, pois há uma elevada pressão. É nessa fina região de depleção que muitos portadores podem atravessar com em um túnel. Nesse dispositivo a energia de Fermi sobe para dentro da banda de condução, no lado n, e desce para dentro da banda de valência, no lado p. Essa região de depleção reduzida produz portadores em velocidades que superam as dos diodos convencionais. O diodo túnel pode ser, portanto, utilizado em aplicações de alta velocidade, como em computadores e osciladores, nos quais são necessários tempos de chaveamento da ordem de nanossegundos ou picossegundos. Sem tensão aplicada , a corrente é nula, não condução, não há tunelamento de elétrons. Ao ser aplicado uma pequena tensão externa com polarização direta, o tunelamento de elétrons do lado n para o lado p vai aumentar, enquanto que no sentido oposto vai diminuir, visto que a banda de condução do lado n sobe. É nesta situação também, numa faixa bem específica de tensão, que o diodo gera tensão. Portanto, existem faixas para em que o diodo consome energia e uma faixa que ele gera. A partir de um certo valor de tensão , o tunelamento deixa de existir. O que vai acontecer é que os elétrons atravessam a junção sem tunelar. Quando o diodo está reversamente polarizado o que acontece é o tunelamento do lado p para lado N vai aumentar, enquanto que no sentido oposto vai diminuir, visto que a banda de valência do lado P sobe. É uma corrente reversa. Se essa tensão for razoavelmente alta, o diodo será destruído. Uma característica importante da curva do diodo túnel é que em certa faixa de tensão onde , que corresponde a descida no gráfico ao lado. Isto corresponde a uma resistência diferencial negativa para sinais ac e nesta região, o diodo túnel fornece potência ac ao circuito, ao contrário de uma resistência normal que sempre absorve energia. Ele é utilizado necessariamente nesta faixa. Diodo Varicap ou Varactor É um tipo de diodo que possui uma capacitância variável que é função da tensão à qual ele é submetido. Trabalha em polarização direta. É uma junção PN, com dopagem mediana. Ao variarmos a tensão nos terminais desse diodo, que não é uma tensão elevada, variamos o tamanho da depleção, o que equivale a aumentar o meio dielétrico entre as placas energizadas de um capacitor. Em diodos semicondutores comuns, esse efeito não é muito expressivo. Ele é utilizado como sintonizador de frequências em rádios e televisão. Aula 15 – Ótica Eletrônica  É a uma área da Engenharia Elétrica responsável pela transferência de informações através de sinais, e também de mostrar essas informações para o usuário.  Diodos Fotosensores e Fotoemissores  Fotoemissores  São idênticos aos diodos já estudados de junção PN (inclusive em estrutura e no funcionamento molecular), porém tem a característica de gerar luz no momento da condução, devido a ser fabricado por Arseneto de Gálio (GaAs), por causa da transição direta desse material. No momento que a junção PN é diretamente polarizada, os do tipo P e os do tipo N movem-se em sentidos opostos em relação à camada de depleção, ocorrendo a recombinação eletrônica. Isso faz com que haja um decaimento de energia, como mostra a imagem ao lado, fazendo que a barreira gere luz. Como o material é de transição direta, esse processo é extremamente eficiente. Além disso, esse processo não é destrutivo, fazendo com que esses dispositivos tenham alta durabilidade.  O LED (Diodo Emissor de Luz) é um fotoemissor, que tem queda de tensão igual à do diodo. Os LEDs têm uma corrente de operação máxima, assim como os diodos.  Fotosensores  Os Fotosensores têm a função de modificarem a corrente que transpassa sobre ele quando recebem luz na barreira de depleção. Eles também são idênticos aos diodos de junção PN, modificando apenas que o GaAs é o material utilizado. A diferença entre o fotosensor e o fotoemissor é apenas no modo de operação.  Quando a luz bate num fotosensor, essa energia movimenta os e as da região de depleção, e começam a sair da barreira para o lugar onde estão mais próximo. Como nesse processo os começam a se movimentar, significa que temos a geração de corrente elétrica. E como sabemos, essa corrente elétrica é pequena (mA), servindo apenas para detectores.  Diferença fotosensor x fotoemissor  O nível de dopagem e a composição química diferencia os fotosensores dos fotoemissores, mas sempre tendo como base o GaAs e a junção PN.  Detalhamento dos LEDs  Como vemos na imagem ao lado, os LEDs apresentam duas “pernas”, cuja a menor é o polo negativo (cátodo) e a maior é o polo positivo (ânodo). O semicondutor em si que compõe o LED é microscópico. A maior parte do dispositivo é composto pelas outras partes, que são responsáveis pelos contatos ôhmicos do semicondutor com a fonte, pela propagação e dispersão de luz e para evitar a oxidação do semicondutor.  Como sabemos, apenas a barreira de junção PN do fotoemissor LED gera luz, fazendo com que a maior parte do semicondutor não gere luz. Por isso, a luz gerada é direcional, e dependendo do ângulo com que o observador está em relação a fonte de luz, ela pode ser vista ou não. A 0° a intensidade da luz é máxima. Por causa disso elas são utilizadas como os faróis de automóveis com o objetivo de sinalização, para apenas os motoristas serem capazes de observar a luz.  Nos LEDs, as cores são modificadas por composição da corrente ou pela cor da capa protetora. O sistema que dita a intensidade de cor e de luz emitida é o RGB (Red – Green – Blue). Com essas cores é possível fazer todas as cores do espectro visível. Cada ponto de luz/cor será chamado de pixel. A diferença de cores é dada pela iluminação que está incidindo sobre o ponto. O conjunto desses pixels com diferentes cores que forma a imagem que vemos numa tela. Dependendo da quantidade de pixels numa tela (resolução), a imagem será mais detalhada.  O objetivo da tecnologia é aumentar o “triângulo de visão” dos dispositivos, para poder retratar as cores com mais perfeição e formar imagens mais reais.  Funcionamento real – Temos a camada N totalmente revestida por um contato metálico e a camada P, que é por onde sai a luz, revestida por um pequeno contato, justamente com o objetivo de não atrapalhar a emissão.  Dispositivos de Imagem  LCD (Liquid Crystal Displays – Display de Cristal Líquido)  Uma enorme evolução em relação ao CRT. A utilização do cristal líquido melhorou a imagem e reduziu o consumo de energia.  Essas telas tinham uma luz de fundo (blacklight) que incidia continuamente sobre um filtro colorido, feito de cristal líquido, e esse cristal pode ou não deixar passar luz, dependendo da forma como for polarizado. Dessa forma, ele se comporta como uma “janela eletrônica”. A malha eletrônica era responsável por acionar cada pixel, controlando a passagem de luz e a tonalidade de cor.  O cristal líquido é um sólido amorfo, porém com propriedades elétricas, resistivas, magnéticas e principalmente óticas de um líquido, com viscosidade no limite de um sólido, ele tem a capacidade de ser polarizado quando colocado uma radiação visível sobre ele, muito utilizado no processamento de imagem (televisão LCD).  DLP (Digital Light Processing – Processador Digital de Imagem)  São os projetores, tanto os portáteis quanto os de cinema.  Se baseia no mesmo princípio do LCD. Temos a fonte de luz passando por um filtro colimador para formar o feixe, que posteriormente passa por um filtro de cor. Após isso, a luz é incidida no DMD (Digital Micro Mirror), que é um espelho, que pode ser controlado para deixar ou não passar luz, funcionando de forma semelhante à “janela eletrônica” visto anteriormente. Essa imagem refletida pelo DMD é direcionada para uma lente que aumenta a imagem original.  Gás Plasma  Consiste numa lâmpada incidindo radiação numa substância fotoluminescente. Existe uma tela muito fina num formato semelhante de uma forma de gelo, onde cada lacuna é preenchida por uma camada de Fósforo RGB (mesmo da lâmpada fluorescente). Cada agrupamento de três “quadradinhos” composto por um de cada cor forma um pixel. Assim cada pixel pode ter qualquer cor visível.  A malha condutora controla a corrente que cada caixinha recebe, podendo controlar a cor que o pixel emite. Essa caixa será por um vidro polarizado e preenchida por gás Xenônio ou Argônio (gases inertes, isolantes). E quando esses gases começam a conduzir, geram luz ultravioleta que quando bate no Fósforo gera luz. Mesmo processo da lâmpada fluorescente.  Essas telas geram um preto perfeito, por não haver a luz de fundo. E também as cores ficam mais vivas. Mas esses dispositivos consomem mais energia, por isso a durabilidade é baixa (2 anos), e também não são recomendáveis para tamanho acima de 40”, por ter alta densidade de corrente no sistema.  LED (Light Emitting Diode – Diodo Emissor de Luz)  A placa inteira desse televisor é feita de LED. Ele mesmo gera sua luz, o que a faz gerar imagens mais brilhosas e coloridas, mas com menos detalhes, e evita a utilização da luz de fundo. Os leds podem ser divididos em duas arquiteturas:  Edge-lit – é uma tela no qual a cor é projetada de fora para dentro. Existem LEDs de alta intensidade nas bordas e LEDs de baixa intensidade no meio. Com isso a imagem tende a escurecer, com redução de brilho e contraste. Essa tecnologia produz telas mais finas que a local dimming.  Local dimming – todos os LEDs vão produzir a mesma intensidade de cor, gerando imagens com alto desempenho de brilho e contraste. Tem economia de energia.  Apenas informação: a frequência de atuação dos televisores é muito importante no desempenho, pois quanto maior evita distorções na imagem (vultos). Uma frequência de 60Hz é considerada baixa, enquanto uma de 120Hz já pode ser considerada de boa qualidade, mas quanto maior melhor.  OLED (Diodo Orgânico Emissor de Luz)  É uma tecnologia feita a partir de moléculas orgânicas fotoluminescentes capazes de gerar luz. Esse sistema não é baseado em semicondutores. A arquitetura das células de luz do OLED é a mesma do LED. Para gerar luz, a energia que a molécula ganha é utilizada para crescimento do nível eletrônico e que leva ao decaimento eletrônico gerando luz. Como vemos ao lado, a estrutura dessa célula é semelhante ao LED.  Os OLEDs têm maior capacidade de precisão de imagem que o LED.  O controle dos pixels é feito por uma malha eletrônica, onde cada fita controla a ativação e a intensidade de cada célula.  A cor de cada célula depende do material utilizado em sua composição, com os materiais sendo baseados na anilina. E como essas moléculas são orgânicas, elas são menos poluidoras ao meio ambiente que as células de LED.  AMOLED (Matriz Ativa de Diodo Orgânico Emissor de Luz)  A diferença dessa tecnologia para o OLED está na malha condutora responsável por ativar cada pixel. Ao contrário do OLED, ela utiliza uma placa condutora inteira para acionar cada célula. O controle sobre cada pixel se torna mais difícil, porém a fabricação se torna muito mais fácil, fazendo com que seu preço barateie.  FOLED (Flexible Organic Light Emitting Display – Display Orgânico Flexível Emissor de Luz)  Temos a mesma coisa do OLED, com a única diferença que as camadas do sistema devem ser flexíveis, ou seja, os vidros antes utilizados devem ser trocados por polímeros polissensíveis.  Ainda temos a tecnologia de OLED transparente, que modifica também apenas as camadas que devem ser transparentes. Aula 16 e 17  Transistores  Transistor – significa transcondutância, utiliza os diodos em sua constituição. É um dispositivo ativo, controlado por corrente ou por tensão. Onde:  Emissor – seria a entrada, que emite os elétrons ou vacâncias, região rica em portadores.  Base – controle;  Coletor – a saída; coleta os portadores de carga que vem do emissor, que passam pela base.  ; corrente do emissor = corrente da base corrente do coletor.  O transistor, basicamente, desempenha duas funções: amplificação e chaveamento. No caso da amplificação, podemos fazer uma analogia com uma torneira: girando a torneira, podemos controlar o fluxo de água, tornando-o mais forte ou mais fraco. No caso do chaveamento, podemos imaginar o transistor como um interruptor de luz: ligando o interruptor, a luz se acende; desligando o interruptor, a luz se apaga. Nos dois casos, estamos controlando a corrente no transistor.  Amplificar é aumentar a amplitude sem haver deformação na forma da onda.  Classificação dos transistores  Os transistores são classificados de acordo com o tipo de portador de carga utilizado para transporte de corrente. Sob esse ponto de vista, existem dois tipos de transistores: os bipolares e os unipolares. Enquanto os bipolares utilizam-se de elétrons livre E lacunas como portadores de carga, os transistores unipolares utilizam-se de elétrons livres OU lacunas como portadores de carga.  Transistor Bipolar - BJT  Corrente gerada pelos dois portadores.  Ele é caracterizado por duas junções PN. O controle de portadores é feito pelas duas regiões de depleção. Nesses dispositivos o controle da corrente que flui pelo transistor é feito por corrente injetada no terminal da base, essa corrente controla as barreiras. A corrente de operação flui no pelo meio do transistor, perpendicularmente as barreiras. São mais utilizados na eletrônica de potência. Os bipolares são designados pela sigla BJT (Transistor de Barreira de Junção).  Tipo PNP  Obs.: a seta do emissor sempre aponta para o lado N.       No BJT existem modos de operação que são determinados de acordo com a polarização das duas junções, JEB (junção emissor-base) e JCB (junção coletor-base). São eles: O modo ativo é o mais interessante, pois é responsável pela amplificação. O modo corte e saturação vai servir para o chaveamento. Modo ativo: A polarização na JEB fará com que a barreira dessa junção se afine, fazendo com que os portadores majoritários (lacunas h+) do emissor passem por ela sem muita dificuldade por causa da repulsão, formando uma corrente de deriva. Ao chegar do lado n, esses portadores se tornam minoritários já que no lado n os portadores majoritários são os elétrons. Os buracos chegam até a segunda barreira por meio de difusão, por que o lado n é muito estreito. Como a JCB está reversamente polarizada a barreira dessa junção é grossa, contudo ela seletiva, isto significa que ela não deixa passar os portadores majoritários. Assim, como os buracos tornaram-se minoritários eles conseguem atravessar a segunda barreira porque ela nem vê esses portadores. No caminho, alguns buracos que estão se difundindo através da região da base se recombinam com os elétrons (portadores majoritários na base), mas como ela é muito estreita e fracamente dopada, a porcentagem de buracos perdidos por recombinação é muito pequena. Ao chegar no lado p, que é o coletor, esses buracos são atraídos pelo polo negativo da ddp, formando uma nova corrente de deriva. Obs: A base é estreita e fracamente dopada para que não haja uma elevada recombinação eletrônica, essa recombinação é a corrente de fuga vista na figura acima. Tipo NPN O transistor bipolar NPN opera de maneira análoga ao transistor PNP, porém com fluxo de portadores majoritários de cargas sendo os elétrons. Observe o sentido convencional da corrente.  Curva de entrada e saída do BJT  A curva de entrada é semelhante à do diodo de junção PN neste caso. Região de saturação: corrente máxima, nível lógico 1.  Região de corte: não tem corrente passando (teoricamente), corresponde ao nível lógico 0. Nessas regiões o transistor é utilizado como chave.  Região ativa: uma região intermediária em relação a saturação e corte, esta região serve para amplificação de onda.  Base comum: gera um amplificador linear, imagem destacada acima; Emissor e coletor: gera um amplificador não linear.  Configurações do transistor BJT  Base comum:  Ganho de tensão elevado  Sem ganho de corrente (ou ganho pequeno)  Ganho de potência baixo  Impedância de entrada baixa  Impedância de saída alta  Emissor comum:  Ganho de tensão elevado  Ganho de corrente elevado  Ganho de potência elevado  Impedância de entrada baixa  Impedância de saída alta  Ocorre inversão de fase  Coletor comum:  Ganho de corrente elevado  Sem ganho de tensão  Ganho de potência intermediário  Impedância de entrada alta  Impedância de saída baixa  O processo de fabricação do PNP é mais simples do que o do NPN. Aula 16, 17, 18 e 19  Transistor Unipolar – FET  Corrente gerada por apenas por portadores majoritários.  São baseados no diodo de Schottky, ou seja, um metal ligado a um semicondutor. São os transistores de efeito de campo FET (Field Effect Transistor). O controle da corrente de operação é feito por tensão aplicada ao terminal base, diferentemente dos bipolares que são controlados por corrente. O controle por tensão é mais fácil, pois por corrente necessita de um limitador de corrente, um dissipador. A corrente de operação nesses dispositivos passa em volta da barreira, nesse caso o campo aumentará ou diminuirá a barreira, aumentando ou diminuindo a condução. São mais utilizados na eletrônica digital devido sua utilização em altas frequências.  As linhas de campo da imagem ao lado são representadas pelas linhas.  Os FETs possuem algumas vantagens em relação ao BJT:  Operação dependente apenas dos portadores majoritários.  Controlados por tensão, fazendo sua operação ser mais fácil.  Imunes à radiação.  Menor ruído e estabilidade térmica.  Apresentam alta impedância de entrada em relação à saída, a resistência de entrada elevada.  E algumas desvantagens:  Suportam baixas tensões.  Pequeno produto ganho x faixa de passagem.  Transistores J-FET  É um transistor efeito de campo composto de uma barreira PN.  Esses transistores se assemelham em termos de conexões ao BJT, tendo Gate (G), Dreno (D) e Source (S), no lugar respectivamente do Base (B), Coletor (C) e Emissor (E). A mudança da nomenclatura serve apenas para diferenciar os BJT dos FET. A diferença se dá na presença de um canal. O canal é uma característica importante dos J-FETs. A imagem ao lado é o símbolo do n-J-FET. Para o p-J-FET, apenas o sentido da seta se modifica.  Os transistores BJT são aplicados em sistemas que necessita maior sensibilidade, por ser mais sensíveis a variações de corrente. Os transistores FETs não são muito sensíveis a variações de VGS (tensão Gate – Source), sendo mais estáveis como já foi dito.  Os J-FETs são fisicamente menores que os BJTs, o que possibilita fazer dispositivos integrados menores.  O canal nos transistores J-FET mostra qual é o principal semicondutor do sistema, explica que tipo de cargas estão gerando a corrente no momento da condução, sendo de canal n ( se movimentam) e canal p ( se movimentam). Ao lado temos a ilustração do n-J-FET.  Funcionamento n-J-FET Nesse transistor é gerado uma junção PN natural, devido à aproximação das laterais do tipo P com o canal N. Em um momento inicial essa barreira é pequena, não evitando a passagem de corrente (corrente Dreno – Source). Dependendo da forma que o Gate for polarizado, essa barreira irá aumentar ou diminuir, podendo bloquear o fluxo de .  VDS (tensão Dreno – Source) Deve ser diretamente polarizado (VDS > 0). Temos que o Dreno estará carregado com cargas e o Source com cargas . Quer dizer que os portadores majoritários do canal n, os , serão atraídos pelo Dreno e repulsados pelo Source, com isso naturalmente os se movimentam S D, gerando a condução da corrente . Normalmente VDS está entre 1V e 5V.  VGS (tensão Gate – Source) Quando maior ou igual à 0V nada irá acontecer, pois a barreira de depleção será tão fina que não haverá o impedimento de passagem dos . Nesse momento é máximo, temos o nível logico “1”. Para a controle do chaveamento nesse transistor, a tensão aplicada no Gate deve ser na mesma polaridade do canal. Para o canal N VGS < 0, e para o canal P VGS > 0V. Em ambos os casos citados anteriormente a barreira de junção fica mais grossa, sendo a forma de aplicar a tensão de estrangulamento no sistema (Vp = pinch off), que impede o fluxo de corrente , nível logico “0”.  A depleção gerada nesse transistor é não – simétrica, como podemos ver na imagem abaixo. Quanto mais próximo ao dreno, maior será a repulsão da barreira, deixando-a mais larga. Isso porque a depleção é formada pela repulsão dos elétrons do canal com o polo negativo da porta, ou seja, a depleção é feita por cargas negativas. Como a fonte está carregada negativamente e o dreno carregado positivamente, a depleção tende a ser repulsada pela fonte (ficando mais fina), e ser atraída pelo dreno (ficando mais grossa). Esse raciocínio é valido também para a formação da depleção no transistor MESFET do tipo N.  Nunca será possível fazer com que toda a corrente seja bloqueada, sempre haverá um vazamento de corrente passando pelo campo elétrico. Essa corrente ( ) é a corrente de saturação do transistor. Como essa corrente de saturação é constante, pode se assemelhar a um gerador de corrente.  Curva Característica – Apresentam duas curvas, a entrada e de saída. Na imagem ao lado vemos a curva de um n-J-FET.  A curva de entrada é a mesma do diodo, onde precisamos de 0,7V para condução, e tendo a área de amplificação, conhecida como a região ôhmica.  A curva de saída é a mesma do BJT, existindo a linearidade da condução, a curva de saturação linear.  Os transistores J-FET tem pequeno uso atualmente por causa das melhores características do MOSFET. Eles são restritos à utilização em circuitos discretos, utilizado tanto como amplificador quanto chave.  Transistores MESFET  É um transistor baseado no diodo schottky, junção semicondutor – metal. Por isso, são utilizados em altas frequências e baixas tensões. Esse transistor tem uma impedância de entrada ainda maior que os anteriores.  Contatos Metálicos - Para o dreno e a fonte, os contatos são feitos de Ge ou Au fortemente dopados de elétrons. Para a porta é feito de Al, W, Ti ou Au. O contato da porta é chamado de contato schottky, pois ele irá fazer a tensão de estrangulamento do circuito (Pinch Off – Vp).  O canal do MESFET (camada ativa) é feito de GaAs por causa da alta mobilidade eletrônica em comparação ao Si, até 22x maior. Isso faz com que os se movimentem mais rapidamente da fonte ao dreno, fazendo o transistor ser utilizado em altas frequências.  A camada de separação (buffer) é usada para isolar a região ativa do semi-isolante e para acelerar a movimentação do elétron da fonte ao dreno. Deve ser feita de GaAlAs (Arsenieto de Gálio Alumínio).  O substrato desse transistor deve ser de péssima condutividade, podendo ser de GaAs ultrapuro ou dopado com Cr (Cromo), para evitar que no momento do bloqueio da corrente que passa pelo canal vaze para o substrato e siga para o dreno. E não pode se utilizar um material totalmente isolante para não gerar o efeito capacitivo. A capacitância parasita gera a limitação da frequência de operação, a dispersão temporal de sinais, redução no ganho e a introdução de oscilações parasitas.  Os MESFET são aplicados em conversores óptico/elétrico, osciladores e amplificadores ópticos. A imagem acima e a direita é a simbologia de um MESFET tipo n (seta entrando no Source)  Funcionamento MESFET  VDS Deve ser diretamente polarizado, para que o polo da fonte esteja carregado negativamente e repulse os elétrons de , e que esses mesmos elétrons sejam atraídos pelo positivo do dreno, gerando a corrente .  VGS Novamente a tensão aqui deve ser na mesma polaridade do canal do transistor. Para situação de exemplo, vamos considerar o n-MESFET. Se VGS = 0V, é máximo por não haver qualquer obstáculo na condução, nível lógico “1”. Se VGS > 0V, os elétrons serão atraídos pelo positivo da porta, reduzindo a passagem de corrente , porém uma grande parte dessa corrente ainda flui, tendo um estado que nem é “1” e nem “0”, por isso não serve para se utilizar. Quando VGS < 0V, os elétrons do canal N serão repelidos pelo negativo da porta, formando um campo elétrico assimétrico (semelhante ao JFET), que impede o fluxo de corrente, nível logico “0”. Normalmente VGS está na faixa de -0,5V e -2,5V. Destaque para a região de depleção, cuja formação é análoga ao n-J-FET. Da mesma forma do J-FET, há a corrente de vazamento, a corrente de saturação.  MOSFET ou IGFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)  Tem o efeito de corrente de fuga minimizado em comparação ao MESFET, ou seja, a impedância de entrada é ainda maior. Aplicado em processamentos digitais.  Operação Curva Dreno – Mostra as tensões de operação e o comportamento dos dois tipos de MOSFET. Será explicado abaixo cada comportamento.  Normalmente o substrato do transistor é ligado ao Source, segundo todas as fontes confiáveis consultadas. Segundo o professor, para o MOSFET tipo P (canal P) o substrato deve ser ligado ao Source, se for MOSFET tipo N (canal N) o substrato deve ser ligado ao Dreno. Em ambos os casos não sei porque, só acredita.  Tipo Depleção  O canal existe desde o início. Na simbologia o substrato é cheio.  Tensões de operação – VDS > 0V e VGS 0V.  Funcionamento – Segue o mesmo raciocínio do MESFET. A diferença é que o metal não é ligado diretamente no semicondutor. Há uma camada de SiO2, gerando um isolamento. Ou seja, o efeito de estrangulamento é causado por um campo capacitivo. Para exemplo vamos utilizar o MOSFET depleção tipo N. Quando VGS = 0V, nada acontece, não existe campo elétrico na porta e a corrente é máxima. Quando VGS < 0V, a polaridade na porta é negativa, fazendo com que o SiO2 se polarize, e suas cargas se aproximem da porta e seus do canal. Como o canal é dopado de elétrons, ocorre a repulsão de cargas negativas da mesma forma do MESFET, e assim bloqueando a passagem de corrente elétrica.  Tipo Enriquecimento  O canal será gerado no momento do processamento. Por isso, esse MOSFET é o com maior impedância de entrada que existe. Na simbologia o substrato é tracejado.  Tensões de operação – VDS > 0V e VGS 0V.  Funcionamento – para exemplo vamos usar um MOSFET enriquecimento tipo N. Quando VGS = 0V, nada acontece e como nem canal de condução existe nesse estado, a corrente é nula. Para VGS > 0V, polarizando o SiO2, onde os do isolante são atraídos e as repulsadas pela porta. O substrato é feito de Si puro dopado com muitos buracos eletrônicos, e os desse Si serão atraídos para o isolante que foi polarizado pela porta. Esses elétrons se acumularam próximo ao SiO2 e formaram o canal N para passagem de corrente da fonte ao dreno, possibilitando a condução de corrente . O canal criado nessa etapa é não simétrico, porque a força de atração fica mais forte no centro da porta.  Fabricação de um Sistema Integrado MESFET e CMOS  Um sistema integrado é o arranjo de vários transistores MESFET ou MOSFET (nunca os dois simultaneamente), de diferentes tipos intercaladamente ( ...). Esses transistores devem trabalhar individualmente para assim gerar a combinação de “0” e “1” necessária para o processamento digital, onde a resposta é dada em conjunto, por isso devem intercalar diferentes tipos.  Para que um transistor não interfira no funcionamento do que está ao lado, eles devem ser isolados, mas a resposta de um irá ser utilizada pelo próximo para o processamento da informação. Como já vimos não podemos simplesmente usar uma camada de isolante devido ao efeito capacitivo que pode ser gerado. Para isso, temos duas topologias de isolamento:  A primeira topologia (utilizada em MESFET) é gerar uma placa semicondutora de GaAs, e crescer isoladamente as camadas do canal, gerando os transistores P e N individualmente. Como o canal é o caminho para a passagem de corrente, e consequentemente do processamento, apenas os canais dos transistores P e N são isolados. Para isso, é gerado por fotoligrafia uma “vala” no tamanho do , para que a corrente de um não interfira no outro.  A segunda topologia (usada em MOSFET) é usar um GaAs semi-isolante fazendo a conexão física diretamente entre os transistores, dopando individualmente cada terminal. Essa dopagem é feita por laser e é extremamente caro.