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Materiais Semicondutores

1. Materiais Semicondutores

Professor: Vlademir de Oliveira

Disciplina: Eletrônica I


ConteúdoTeoria

� 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 compostasPrática

� Fontes de tensão� Curva do transistor� Pré-amplificador� Confecção de placa de circuito impresso


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


ReferênciasLivro texto

BOYLESTAD, Robert; NASHELSKY, Louis. Dispositivos eletrônicos e teoria de circuitos.

11. 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.


1.1. Materiais Semicondutores

� Composto → Elemento → Átomo

- Número de elétrons em cada nível

n →Nº elet. →

Subn. →

Ex.: 29Cu → 1s2

2s2

2p6

3s2

3p6

3d10

4s1

1 2 3 4 ...

2 8 18 32

s p d f

2 6 10 14



� 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 deenergia, e qualquer elétron que deixar seu átomo de origem apresentará umestado de energia maior que os da estrutura atômica.



� Valência- Na estrutura atômica há níveis de energia discretos associados a cada

elétron em órbita. Esses níveis são diferentes para cada material.



� Potencial de IonizaçãoA ionização é o mecanismo pelo qual um elétron pode absorver energia

cinética suficiente, de fatores naturais, para desprender-se da estruturaatômica e entrar na banda de condução. O potencial de ionização é o gap

entre a banda de valência e de condução (Eg) que é conhecia como regiãoproibida. Os fatores naturais podem ser: energia térmica ou fótons.


� SemicondutorMaterial que tem o nível de condutividade intermediário, entre o isolante

e o condutor.



� 14SiElemento mais utilizado; nível de pureza alto; facilita dopagem; custo

baixo de produção; estrutura cristalina repetitiva.



� Processo de dopagem

Material intrínseco → São semicondutores refinados para obter reduçãode impurezas, ou seja, os elétrons livres e lacunas são devido a fatoresnaturais (ionização térmica, etc)

Material extrínseco → Material é contaminado no processo de dopagemcriando os materiais do tipo p e n



� Material do tipo nEsses 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



� Material do tipo nEsses materiais são dopados com impurezas que são elementos


No material tipo n → elétrons são majoritários e lacunas são minoritárias.



� Material do tipo pEsses 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



� Material do tipo pEsses materiais são dopados com impurezas que são elementos


No material tipo p → lacunas são majoritárias e elétrons são minoritários.



� Nível de energiaO nível de energia dos portadores majoritários está muito próximo da

banda de condução


� 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



� Diodo SemicondutorO diodo será analisado sem polarização, em polarização reversa e em

polarização direta



� Diodo Semicondutor

Sem polarização (VD = 0)

Os portadores majoritários secombinam na junção p-n eformam a região de depleção. Ofluxo de carga é nulo em qualquersentido.




Polarização reversa (VD < 0)

A região de depleção aumenta eos portadores majoritários nãoultrapassam o potencial da regiãode depleção de n para p. Ocorreque os portadores minoritáriosque surgem na junção sãodeslocados para p com o potencialimposto por VD, resultando emuma corrente constante, chamadade corrente de saturação reversaIs.




Polarização direta (VD > 0)

Conforme a tensão aplicadacresce, a região de depleçãodiminui até que o fluxo deelétrons passe pela região,resultando em um aumentoexponencial da corrente.



� Curva do diodoUsando resultados da física do estado sólido, mostra-se que as

características de transferência Id X Vd podem ser definidas pela equação:

( )1−= KD TKVSD eII , sendo

n → constante que varia entre 1 e 2 dependendo do material e estrutura física do diodo

TK → temperatura em Kelvin (TK = TC + 273)

nK

11600=



� Curva do diodoA equação representa as características do diodo para as regiões de

polarização direta e reversa.

( )1−= KD TKVSD eII



� Curva do diodoA equação representa as características do diodo para as regiões de

polarização direta e reversa.

( )1D TV VD SI I e≅ −

Para a temperatura ambiente:

• VT ≅ 26mV



� Ruptura por AvalancheO efeito avalanche provoca a ruptura da região de depleção no sentido

reverso. Assim, a corrente se torna muito maior que Is. (ver aplicações dodiodo)



� Tensão de disparoO valor aproximado para o

início da condução do diodochama-se tensão de limiar oudisparo (Threshold).

Vt ≅ 0,3V (Ge)

Vt ≅ 0,7V (Si)



� Circuitos equivalentes dos diodosSão 3 os principais tipos de modelos aproximados: modelo linear, modelo

simplificado e modelo ideal.





� Análise por reta de cargaAplicando-se a LKT no circuito obtém-se a reta de carga.



� Análise por reta de cargaNo cruzamento das curvas obtém-se o ponto de operação do circuito ou

quiescente.



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



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 Vd=1V. Determine Idq eVdq usando a reta de carga.

Considere: n = 1,2

TC = 25°C

IS = 50nA

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