Electrónica

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Preparado por Sam Kinyera OBWOYA

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Universidade Virtual Africana 1

Aviso

Este documento é publicado sob as condições do Creative Commons http://en.wikipedia.org/wiki/Creative_Commons

Atribuição

http://creativecommons.org/licenses/by/2.5/ Licença (abbreviated “cc-by”), Versão 2.5.

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Tabela de Conteúdos

I.Módulo Electrónico________________________________________________________3 II. Pré-requisitos do Curso ou Conhecimentos_____________________________________3 III. Tempo_________________________________________________________________3 IV. Materiais ___________________________________________________________ 3 V. Módulo de Fundamentação__________________________________________________3 VI. Conteúdo______________________________________________________________4 6.1 Visão Geral_________________________________________________________4 6.2 Esboço____________________________________________________________5 6.3 Organização Gráfica_________________________________________________ 6 VII. Objectivos Gerais_______________________________________________________ 7 VIII. Objectivos Específicos de Aprendizagem__________________________________ IX. Pré-avaliação____________________________________________________________ X. Actividades de Ensino e Aprendizagem______________________________________1 XI. Glossário de Conceito-Chave ____________________________________________ 149 XII. Lista de leituras obrigatórias______________________________________________ 15 XIII.Lista compilada de Recursos Multimédia (Opcional) _________________________ 153 XIV. Lista compilada de links úteis _________________________________________ 155 XV. Síntese do Módulo____________________________________________________ 158 XVI. Avaliação sumativa _________________________________________________ 160 XVII. Referências________________________________________________________ 163

XVIII. Aluno___________________________________________________________ 164 XIX. Autor principal do módulo____________________________________________ 164

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I. Módulo de Electrónica

Por Sam Kinyera Obwoya Kyambogo – Universidade de Uganda

II. Pré-requisitos do Curso ou Conhecimentos

O pré-requisito básico para este Módulo é a Física que se tem aprendido na escola. Em particular, o conhecimento dos seguintes cursos são essenciais para se seguir a compreensão do Módulo de uma forma eficaz: Física do Estado Sólido e Electricidade e Magnetismo. Como um requisito geral, é necessário o conhecimento de cálculo e álgebra na Matemática.

III. Tempo

Um total de 120 horas é necessário para que você complete este Módulo.

IV. Material

Os materiais necessários para o módulo incluem o acesso a um computador. Porém, o mais importante ainda é necessário um acesso contínuo à internet. A internet irá fornecer muitos referenciais essenciais e recursos multimédia. Estes multimédias são importantes, uma vez que, em alguns casos, eles servem como palestrantes virtuais e fontes de equipamentos que podem ser utilizados para realizar experiências virtuais. Entretanto, alguns CD-ROMs também estarão disponíveis para complementar o uso da internet. Outros materiais incluem leituras obrigatórias e recursos obrigatórios que podem estar disponíveis em livrarias ou nas proximidades das escolas.

V. Módulo de Fundamentação

Este módulo visa proporcionar um fundamento básico da Física aos estudantes. Isto irá permitir que os alunos aprendam a matéria, a fim de explicar e esclarecer os princípios envolvidos na electrónica. O módulo está estruturado de tal sorte que, a partir da realização das actividades nele prescritas, o aluno possa alcançar elevados resultados. Dum modo geral, o módulo irá proporcionar ao aluno, ideias básicas do que é a Electrónica em termos de manifestações dos seus componentes-chave bem como as suas características, de modo a habilitá-lo a ensinar a Física escolar duma forma eficaz e

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VI. Conteúdo

6.1 Visão Geral

A Electrónica tem como objecto de estudo, o fluxo de carga através de vários materiais e

dispositivos tais como, semicondutores, resistores, indutores, capacitores, nano-estruturas, e tubos em estado de vácuo. Todas as aplicações de electrónica envolvem a transmissão de energia e possíveis informações à ela relativas. Apesar de ser considerado um ramo da física teórica, a concepção e a construção de circuitos electrónicos para resolver problemas práticos é uma técnica essencial no domínio da engenharia electrónica e engenharia da computação. O estudo de dispositivos semicondutores e da nova tecnologia envolvente é, por vezes, considerada um ramo da física. Este módulo centra-se em aspectos de engenharia electrónica. Outros tópicos importantes incluem resíduos electrónicos e Saúde Ocupacional, impactos da fabricação de semicondutores. Este curso de electrónica destina-se à alunos que se inscrevam para a formação em serviço e licenciados em Educação, em formação contínua. Como é sabido, na Física Moderna, as expressões Electrónicas, constituem um “osso difícil de roer”. O Módulo contém seis unidades: Circuitos com Diodos; Circuitos com Transistor; Amplificadores operacionais; Circuitos Digitais; Aquisição de dados e Controle de Processos; e Informática de interligação de dispositivos. Na primeira unidade / actividade, ou seja, “Circuitos com Diodos”, são explicados aos estudantes os conceitos sobre a geração de carga transportadora, o de semi-condutores intrínsecos e extrínsecos e os conceitos de portadores de carga, formação e aplicação de junção PN, e como projectar e analisar circuitos de díodo (por exemplo, os circuitos de alimentação); Na segunda unidade / actividade, ou seja, “Circuitos Transistor”, o aluno deverá explicar como funciona um Transístor de Junção Bipolar (BJT); Projectar e analisar os circuitos BJT em função das várias configurações (CE, EB, CB); Explicar como funciona uma Junção Field Effect Transistor (JFET) – Junção Transistor de Efeito de Campo; Projectar e analisar os circuitos JFET nas configurações (CD, CS); Explicar como funciona o IC bem como, projectar e analisar circuitos MOSFET. Na unidade três, o estudante deve ser capaz de explicar a construção do amplificador operacional; e conceber, analisar e sintetizar circuitos com amplificadores operacionais. Na unidade quatro, ou seja, “Circuitos Digitais”, o aluno deverá manipular

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6.2 Esboço

Actividade 1: (20 horas)

“Circuitos com Díodos” debruça-se sobre a teoria de “bandas de energia”; a junção PN e o Efeito Diodo, seu Circuito e as suas aplicações comuns.

Circuitos Transistores: Transístor de Junção Bipolar (BJT) – Amplificador de Emisso Comum; Amplificador de Colector Comum e Amplificador de Base Comum. Junçã Transistor de Efeito de Campo (JFET); Junção Transistor de Efeito de Campo (JFET) com Amplificador de Fonte Comum; Junção Transistor de Efeito de Campo (JFET) com Amplificador de Dreno Comum. Transistor de Efeito de Campo de Dupla Entrada. Circuito de Energia MOSFET. Circuitos de Múltiplos Transistores.

Amplificadores Operacionais: Amplificadores “Open-Loop”, Amplificador Ideal, Análises estimativas, O Rendimento do “Open-Loop”.

Circuitos Degitais: Sistemas Numéricos, Álgebra de Boole, Portas Lógicas, Lógica Combinatória. Multiplex e decodificadores. Gatilho Schmitt, Elemento de Armazemento de Duplo-Estado, Fechos e “Flip-flops” não cronometrados, Os “flip-flops” cronometrados, A Dinâmica dos “Flip – flops”cronometrados. Registo de Tiro-Único.

Actividade: 5 (20 horas)

Aquisição de Dados e o Processo de Controle dos Transdutores, Circuitos Condicionados aos Sinais de Dados, Osciladores, Conversão de Circuito Analógico a Digital.

Computadores e elementos de dispositivo de interligação do Microcomputador 8-, 16- ou 32- Bit Buses.

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VII. Objectivo(s) Geral(is)

Após concluir o módulo, o aluno deve ser capaz de:

• Apreciar e aplicar os conceitos básicos de electrónica e os circuitos.

VIII. Objectivos Específicos de Aprendizagem

Unidade Objectivo(s) de Aprendizagem

Os Alunos devem ser capazes de: 1. Circuitos com Diodos (20

horas)

• Revisão sobre os Conceitos de “Energia”e “Teoria de Bandas; • Junção PN e o Efeito Díodo; • Circuitos e Aplicações do Díodo Normal

2. Transistor Circuitos: (25 horas) Os Alunos devem ser capazes de:

• Junção Bipolar do Transistor;

• Junção (BJT): com Emissor Comum Amplificado; com Colector Comum Amplificado e com Base Comum Amplificado; • Junção Transistor de Efeito de Campo (JFET), Junção Transistor de Efeito de Campo (JFET) com Amplificador de Fonte Comum, Junção Transistor de Efeito de Campo (JFET) com Amplificador de Dreno Comum; • Transistor de Efeito de Campo de Dupla Entrada. Circuitos de Energia MOSFET. Circuitos de Múltiplos Transistores.

• Amplificadores “Open loop”;

• Amplificadores Ideais, Análises Estimativas, O Rendimento de “Open – loop”

• Explicar como funciona a Junção do Transistor Bipolar (BJT);

• Projectar e análisar os circuitos básicos BJT em várias configurações (CE, EB, CB);

• Explicar como funciona a Junção Transistor de Efeito de Campo (JFET) – Algumas Teorias;

• Projectar e analisar os Circuitos (JFET) nas configurações (CD, CS);

• Explicar como funcionam os Circuitos de Energia MOSFET (Teoria);

Projectar e analisar os Circuitos de Energia MOSFET

3.Amplificadores Operacionais

(10 horas) _{• Explicar a construção do}

Amplificador Operacional; • Projectar, analisar e sintetizar

Circuitos com amplificadores operacionais

Os Alunos devem ser capazes de:

• Explicar a geração dos portadores de carga intrínsecos e extrínsecos nos semi-condutores; • Explicar a formação e aplicação da junção PN; •Projectar e analisar circuitos com díodo (por exemplo, circuitos de fornecimento de energia)

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4. Circuitos Digitais (30 horas) • Sistemas numéricos, Álgebra de Boole, Portas Lógicas;

• Lógica Combinatória;

• Multiplex e Decodificadores, Gatilho Schmitt, Elemento de Armazemento de Duplo-Estado;

• Fechos e “flip-flops” não-cronometrados;

Dinâmica dos “Flip - flops” cronometrados.

• Registo de Tiro-Único

Os Alunos devem ser capazes de • Explicar o funcionamento de um transdutor

em vários modos (Tensão, piezo e temp);

• Explicar e aplicar o sinal do transdutor nos processos de condicionamento; • Aplicar o sinal condicionado na forma digital.

Os Alunos devem ser capazes de • Manipular números de diferentes bases: (2,8,10,16);

• Aplicar a Álgebra de Boole na projecção de Circuitos Lógicos;

• Projectar, analisar e sintetizar Circuitos Lógicos (Multiplex e decodificadores. Gatilho Schmitt, “flip-flops”, Registos.

6. Computadores e Interligação de dispositivos (15 horas)

• Elementos do Microcomputador de 8-, 16- or 32- Bit Buses.

Os Alunos devem ser capazes de

• Explicar o nível de componentes de sistemas de um microprocessador.

5. Processo de Controle e Aquisição de dados (20 horas)

• Transdutores, Sinal Condicionado;

• Circuitos, Osciladores, Conversão de Circuito Analógico a Digital.

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Univeridade Virtual Africana 9

IX. Pré - Avaliação

Você está pronto para aprender Electrónica?

Título da pré-avaliação: ELECTRÓNICA

Fundamentação: A pré-avaliação destina-se a determinar o nível dos pré-requisitos que o

aluno tem sobre a Electrónica ensinada na escola, objectivando orientar a mente do mesmo sobre a quantidade de trabalhos que deverá realizar durante o curso. De todo modo, a pré-avaliação não se destina a desencorajar o aluno, mas sim, a motivá-lo a começar o curso com uma elevada prontidão para enfrentar os futuros desafios.

9.1 Auto-Avaliação associada à Electrónica

1 A resistência dos materiais semicondutores numa célula fotocondutora varia com a intensidade da luz incidente:

a. directamente b. inversamente c. exponencialmente d. logaritimicamente

2 Uma célula solar funciona com o princípio de: a. difusão

b. recombinação c. fluxo transportador

d. acção fotovoltáica

3 Quais dos seguintes dispositivos tem a maior sensibilidade? a. célula fotocondutora

b. célula fotovoltáica c. fotodíodo

d. fototransistor

4 Em LED, a luz é emitida por causa:

a. da realização da recombinação de portadores de carga

b. da luz que cai sobre o diodo que depois disso fica amplificado c. da luz que se reflecte, devido à acção da lente

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5 Um transistor regulador de tensão em série é chamado de regulador seguidor de emissor, porque o emissor do transistor segue a tensão:

6 Um regulador de tensão de comutação pode ser dos seguintes tipos: a. invertido

b. de avanço c. de recuo

d. todas alíneas acima citadas

7 Um regulador de tensão ideal tem uma regulação de tensão de: a 0

b. 1 c. 50 d. 100

8 Dispositivos electrónicos que convertem a energia CC para alimentação AC são chamados:

a inversores b. rectificadores

c. inversores d. transformadores

9 A saída de um rectificador de meia onda é adequado apenas para: a.execução de auto-rádios

b. execução de motores ac c. execução de gravadores d. carregamento de baterias

10 Quando usado num circuito, um díodo Zener é sempre: a. polarizado

b. inversamente polarizado c. ligado em série

d. perturbado por superaquecimento a. base

b. entrada c. saída d. colector

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11 Díodos Zener são utilizados principalmente como: a. rectificadores

b. amplificadores c. osciladores

d. reguladores de tensão

12 Um regulador “shunt amp-op” difere do regulador em série, no sentido de que o seu elemento de controle é ligado em:

a. série com a linha de resistência b. paralelo com a linha de resistência c. paralelo com resistor de carga d. paralelo com a tensão de entrada

13 Os sistemas digitais geralmente operam em sistema: a. octal

b. binário c. decimal d. hexadecimal

14 O ganho acumulado de quatro bits binários (1 + 1 + 1 + 1) dá: a. 1111

b. 111 c. 110 d. 11

15 O resultado da multiplicação do binário 1112 x 102 é: a. 1101

b. 0110 c. 1001 d. 1110

16 As FETs têm propriedades semelhantes às de: a. transístor PNP

b. transistor NPN c. válvulas termiónicas d. transistor de unijunção

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17 O ganho de tensão de um dado amplificador JFET de fonte comum depende: a. da sua impedância de entrada

b. do seu factor de amplificação

c. da sua resistência dinâmica do dreno d. resistência de carga de dreno

18 A impedância de entrada extremamente elevada de um MOSFET é principalmente devido:

a. à ausência de seu canal

b. à tensão negativa da fonte de entrada c. ao esgotamento da corrente de transporte

d. ao vazamento extremamente pequeno da corrente do capacitor de entrada 19 A principal função de um seguidor de emissor é:

a. amplificar a potência b. dupla impedância

c. impedância de entrada baixa d. sinal de seguidor de base

20 O menor dos quatro h parâmetros de um transistor é: a. hi b. hr c. h0 d. hf Chave de Respostas 11. D 12. A 1. B 2. D 3. D 4. A 5. A 6. D 7. A 8. A 9. B 13. B 14. B 15. D 16. B 17. D 18. C 19. B 20 C

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Comentário pedagógico para os alunos

A pré-avaliação destina-se a determinar o quanto você sabe de electrónica e a prepará-lo para o módulo. O resultado da pré-avaliação dir-lhe-á sobre que matérias você precisa despender mais tempo, de modo a que nelas mais se concentre, para que o estudo e a aprendizagem do módulo ocorra normalmente. Como você deve ter percebido, a maioria das perguntas contêm temas que normalmente não são dados na escola.

O início do módulo começa com a revisão da teoria das bandas de energia, matéria que você terá aprendido na física do estado sólido. Eventualmente, vai aprender sobre a junção PN e efeito díodo, circuito, e aplicações de díodos comuns.

Aqui, a expectativa é que você deve ser capaz de explicar a geração de portadores de cargas intrínsecas e extrínsecas dos semi-condutores, formação e a aplicação da junção PN; e, finalmente, ser capaz de projectar e analisar os circuitos de díodos (por exemplo, fornecimento de circuitos de potência). Para qualquer outra actividade aqui proposta, a sua realização visa alcançar os objectivos previamente estabelecidos. Deste modo, você é aconselhado a passar por cada ponto da actividade numa ordem cronológica. Sempre que for necessário um pré-requisito, você deve ir aos primeiros temas antes de prosseguir para temas seguintes.

Uma série de referências são apontadas ao longo de cada actividade. O que você precisa fazer, é sempre ter acesso à estas referências. A maioria delas estão disponíveis em “on-line”. Se você não tiver acesso permanente à Internet, é aconselhado a “baixar” essas referências e arquivar as cópias. Uma série de recursos multimédia também são incluídos. Estes são muito úteis, pois podem actuar como professores virtuais ou fontes de laboratório virtual. Você é encorajado a usar estes recursos multimédia o tempo todo.

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X. Actividades de Ensino-Aprendizagem

Actividade 1: Circuitos de Díodos

Você precisará de 20 horas para concluir essa actividade. Apenas orientações básicas são fornecidas para ajudá-lo a contornar as dificuldades encaradas nas actividades. Para tal, recomenda-se uma grande capacidade de leitura e de trabalho independente.

Objectivos específicos de Ensino e Aprendizagem

Nesta actividade, você deve ser capaz de:

(i) Explicar a geração dos portadores de carga intrínsecos e extrínsecos nos semi-condutores;

(ii) Explicar a formação e aplicação da junção PN;

(iii) Projectar e analisar circuitos de díodos (por exemplo, os circuitos de alimentação).

Síntese das actividades de aprendizagem

Essa actividade inclui, entre outras, a explicação da geração de portadores de carga, intrínsecos e extrínsecos de semi-condutores; formação e aplicação da junção PN e, finalmente, como projectar e analisar circuitos de díodos (por exemplo, o fornecimento de circuitos de potência).

Lista de leituras requeridas 1ª Leitura

Referência completa: http://en.wikibooks.org/wiki/Electronics. 3rd October 2007. Resumo: Este é um livro completo sobre electrónica que aborda, entre outros, os

seguintes tópicos: circuitos analógicos, tubos de vácuo; díodos, transistores; amplificadores; amplificadores operacionais e multiplicadores analógicos.

Justificativa: Cada tema é apresentado de uma forma muito simples, de modo a facilitar

a leitura individual. Entretanto, tais servem apenas para complementar o processo do ensino e aprendizagem.

2ª Leitura

Referência: http://en.wikipedia.org/wiki/electronics. 5 de Outubro de 2007.

Resumo: Esta leitura é formada a partir de referências obtidas de vários “sites”. Suas

URLs podem ser obtidas a partir de uma cópia electrónica desta leitura. Basicamente, todos os tópicos essenciais do curso são abordados nesta 2ª leitura.

Justificativa: A referência proporciona uma leitura fácil à fontes em electrónica que, em

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List a de recursos relevantes de MULTIMÉDIA

Referência: http://www.educypedia.be/electronics/javacollectors.htm. Resumo:Este recurso permite o estudo das características do transistor NPN.

Justificativa: O “site” oferece uma experiência virtual simples e elegante que pode ser usa

para o estudo das características do transistor NPN.

Referência: http://server.oersted.dtu.dk/personal/ldn/javalab/Circuit04.html

Referência: http://server.oersted.dtu.dk/personal/ldn/javalab/Circuit01.html

Sumário: Este recurso fornece um circuito de um “equivalente Thevenin” com uma carga

em que a potência P está a ela (carga) associada.

Justificativa: Este site oferece um recurso útil para aprender sobre o divisor de tensão. Lista Relevante de Links Úteis

Titulo: Análise de Circuítos Básicos

URL: http://oc w.mit.edu/Oc wWeb/Ele ctrical-Enginee ring-and-Computer-Science/6-

002Circuits-and-ElectronicsFall2000/VideoLectures/index.ht.

Resumo: Estes contêm os slides de palestras feitas pelo instrutor acompanhados de

vídeo-aula bem como a descrição e demonstração ao vivo, das mesmas.

Titulo: Díodos

URL: http://jersey.uoregon.edu/~rayfrey/431/lab2_431.pdfhttp://jersey.uoregon.

edu/

Resumo: Este “site” fornece as características do trabalho prático VI. Além disso, o “site”

oferece leituras em relação à junção do transistor, comutação do transistor e a sua saturação, etc.

Titulo: Aplicação do díodo

URL: http://morley.eng.ua.edu/G332BW.pdf.

Resumo: Diversas aplicações de díodos incluindo a sua alimentação, rectificador de meia

onda, ponte rectificadora. Também são apresentados o rectificador de onda completa com filtro, etc…

Resumo: O recurso é para o circuito vulgar de emissor comum (CE) amplificador, que inclui um

transistor npn com base externa, colector e resistências de carga. O aluno encontrará, para um dado conjunto de parâmetros do componente, intervalos de tensões de entrada que fazem com que o transistor fique no estado de corte, activo ou saturado, respectivamente. No caso de aplicações analógicas, o aluno irá determinar a amplificação de tensão diferencial do circuito quando o transistor estiver no estado activo. Enquanto que para aplicações digitais, espera-se encontrar o menor ganho possível de corrente (Beta) e uma resistência de colector correspondente, que faz com que o circuito funcione com a lógica como a de um inversor se tratasse.

Justificativa: Esse recurso serve para auxiliar na aprendizagem sobre a polarização de

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Actividade 1.1 Revisão sobre a Teoria de Bandas de Energia Principais Conceitos-Chave sobre a teoria de faixa de energia

(v) Que um material semicondutor é aquele cujas propriedades eléctricas estão entre os isoladores e os condutores. Em termos de bandas de energia, semicondutores podem ser definidos como aqueles materiais que tenham a banda de condução quase vazia e a de valência quase cheia. Existe um pequeno intervalo entre as bandas de valência e de condução em que as excitações térmicas ou outras são suficientes para preencher a lacuna. Com essa pequena diferença, a presença de uma pequena percentagem de um material dopado pode aumentar consideravelmente a condutividade._{(vi) Que os electrões de um átomo ultraperiférico, isto é, aqueles que estão mais}

afastados do cerne do núcleo, são chamados electrões de valência e têm a maior energia ou, pelo menos, energia de ligação.

(vii) Que a banda de energia ocupada por electrões de valência é chamada banda de valência e é a maior banda ocupada. Pode ser total ou parcialmente preenchida com electrões, mas nunca vazia.

Tarefa 1.1

Instrução importante

1. Para cada tarefa que você realizar, deve tomar notas curtas usando algumas das referências que lhe são dadas, inclusive aquelas que você pode ter acesso.

2. Use livros disponíveis em ambientes electrónicos e outras referências como por exemplo http://hyperphysics. phy-astr.gsu.edu para:

(a) Revisitar os conteúdos da física do estado sólido e refrescar a sua memória sobre os significados de: banda de energia, banda de valência, banda de condução, energia de lacuna e nível de Fermi;

Descrição detalhada da actividade (Principais elementos teóricos)

(iii) Que os isoladores têm uma banda de condução vazia; porém possuem uma banda de valência preenchida;

(iv) Que nos condutores, como os metais da banda de valência se sobrepõe à banda de condução, não há condições para criação de lacunas. Neste caso, a corrente total de condutores, é simplesmente um fluxo de electrões.

Os principais conceitos-chave que se aprendem sobre a teoria de bandas de energia na Física do estado sólido são:

(i) Que os estados de energia disponíveis, formam o que chamamos de bandas;

(ii) Que, a partir da banda de condução, nos isoladores, os electrões na banda de valênc estão separados por um grande fosso chamado lacuna de energia proibida;

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Que, para os semicondutores intrínsecos tais como o Silício e o Germânio, o nível de Fermi se situa entre as bandas de valência e de condução. Apesar de não condutividade a 0 K, em temperaturas mais elevadas da banda proibida e uma reduzida banda de energia é suficiente para que um número finito de electrões possam alcançar a banda de condução e fornecer alguma corrente. A condutividade de um semicondutor aumenta com a temperatura;

(iv)

(c) Distinguir entre condutores, semicondutores e isoladores;

(d) Desenhar diagramas mostrando bandas de energia em condutores, semicondutores e isoladores;

(e) Explicar o que se entende por semicondutores intrínsecos e energia de ligação.

Lição 1.1

Nesta secção o aluno irá aprender:

(i) Que a posição do nível de Fermi em relação à banda de condução é um factor importante na determinação das propriedades eléctricas de materiais;

(ii) Que, à temperatura normal, a diferença de energia entre as grandes bandas de valência num isolador, nenhum electrão poderá alcançar a banda de condução;

(iii) Que, nos semicondutores, a largura da lacuna é sufdicientemente pequena de ta sorte que, a energia térmica pode alcançar fracção significativa de electrões;

(v) Que um semicondutor intrínseco é aquele que é feito de material semicondutor na sua forma extremamente pura. Em contrapartida, um semicondutor intrínseco pode ser definido como sendo aquele em que o número de electrões de condução é igual ao número de lacunas.

Actividade 1.2 Origem dos portadores de carga

Nós podemos desenvolver este conceito, lembrando-nos da estrutura atómica e os electrões de valência que são:

Tarefa 1.2.1

Para entendermos a origem dos portadores de carga, é necessário realizar as seguintes tarefas:

(a) Ler e escrever notas curtas sobre o que se entende por estrutura atómica.

(b) Esboçar a estrutura atómica do Germâncio (Ge) e do Silício (Si) -germânio (Ge). Para além disso, é recomendável realizar a distribuição electrónica de um elemento de comparação com a estrutura atómica. Na figura. 1.1., é mostrado um exemplo da

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Banda de Condução Banda de Valência 2ª Banda 1ª Banda

Figura 1.1. Distribuição electrónica do átomo de Silício

(c) Estrutura atómica do átomo de Germânio que é composto por: (i) um núcleo central que é positivamente carregado, e

(ii) quatro electrões na órbita ultraperiférica. Tais são chamados de electrões de

valência. Este é o mesmo número de electrões na banda de valência. 1.2.2 Semicondutores Intrínsicos: Electrões e Lacunas

Os exemplos comuns de semicondutores são os de germânio e silício, cuja energia das lacunas varia entre 0,72 eV e 1,1 eV, respectivamente. À temperaturas acima de 0º K alguns electrões são excitados para a banda de condução deixando de ocupar as lacunas na banda de valência, como ilustra a figura 1.2. Observe que apenas as bandas de valência e de condução são mostradas, uma vez que as faixas mais baixas não são preenchidas de qualquer modo.

Figura 1.2. Electrões excitados para a banda de condução deixando, na banda de valência, lacunas positivamente carregadas

Se uma tensão externa, é aplicada em todo o silício, electrões de condução se deslocam para o ânodo, enquanto as lacunas passam da banda de valência para o cátodo, conforme é mostrado na figura 1.3. Daí a afirmação segundo a qual, nos semicondutores o movimento de electrões e lacunas se processa em direcções opostas.

(20)

Os pares de condução formados de electrão – lacuna, os portadores de carga. O número ni, de portadores de carga térmica gerada por unidade de volume é dada pela equação (1).

ni N exp



E g / 2kT



(1)

Expresão em que N, é a constante dada pelo semicondutor, Eg é a energia da banda lacuna, k é a constante de Boltzmann e T é a temperatura em Kelvin.

n

i

e



e







h







Do mesmo modo, a condutividade,  , de semicondutores é dada pela equação. (2).

Figura 1.3. Movimento de electrões de condução deslocando-se para o ânodo (+), enquanto as lacunas da banda de valência se deslocam para o cátodo (-) quando sobre eles é aplicada uma tensão.

Onde e, é a carga do electrão, e é a mobilidade dos electrões, e h é a mobilidade das lacunas.

Lição 1.2

(i) De acordo com a configuração electrónica dos átomos, o número máximo de electrões permitidos em cada camada externa é de 2 ; no nível nth, existem n sub-camadas cujos valores de l variam de 0, 1, 2, …. (n-1). Cada

sub-camada pode acomodar um máximo de 2 (2l + 1) electrões;

(ii) Quer o Germânio (Ge), bem como o Silício (Si), possuem quatro electrões na banda de valência ou na camada mais externa;

(iii) Electrões de condução são encontrados dentro a fluirem livremente na banda de condução;

Unisidade Virtual Africana 19 Corrente de Lacunas Corrente de Electrões

(21)

Actividade 1.3 Nível de Fermi em semicondutores intrínsecos

Em termodinâmica estatística, o número de electrões, , na banda de condução é dada pela equação (3).

N.P



E g





Expressão em que P



Eg



é a probabilidade de um electrão em função da energia Eg. Usando a equação da função de distribuição de probabilidade de Fermi – Dirac (4):

P( ) =

(5)

Portanto,

=

(6)

Tarefa 1.3.1 Exercício

(a) Use as informações fornecidas nas equações (3) e (6) e mostre que

Sugestão: Use N = como o número de electrões em ambas as bandas e o

número de electrões na banda de valência.

Onde P(E) é a probabilidade de encontrar um electrão com energia E, é o nível de Ferm Isto significa que:

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Lição 1.3

São feitas as seguintes suposições:

(i) Quando comparadas entre elas, a largura das bandas de energia são pequenas em relação das bandas de energias proibidas (lacunas);

(ii) Desde que a largua das bandas de enregia seja pequena, todos os níveis energétic possuirem a mesma energia;

(iii) A energia de todos os níveis na banda de valência é nula;

(iv) A energia de todos os níveis da banda de condução é igual à energia da banda de lacuna Eg.

Actividade 1.4 Semicondutores extrínsecos

Nesta actividade o aluno aprenderá :

A. Diz-se que um semicondutor é dopado quando sobre ele é injectado uma pequena quantidade de impurezas. Tais são designados por semicondutores extrínsecos ou impuros;

B. Os agentes dopings mais comuns são:

(i) átomos pentavalentes, ou seja, com cinco electrões de valência (exemplos: Arsénio, Antimônio e Fósforo);

(ii) átomos trivalentes, ou seja, com três electrões de valência (exemplos: Gálio, Índio, Alumínio e Boro;

C. Átomo pentavalente dopado (conhecido como átomo doador). Isto se deve ao facto de doar electrão para a banda de condução do Germânio puro;

D. Um átomo trivalente dopado, é chamado por átomo aceitador, porque ele aceita um electrão do átomo de Germânio. Deste modo, dois tipos de semicondutores extrínsecos podem ser formados: os do Tipo – N e os do Tipo – P.

Actividade 1.4.1 Semicondutor do Tipo – N

Semicondutores do Tipo – N podem ser formados quando, por exemplo, o Antimônio é adicionado uma impureza, como por exemplo ao Silício. Um exemplo disso é ilustrado na figura 1.4. (a) Cada átomo de Antimônio forma uma ligação covalente com quatro átomos de Germânio, mas o quinto electrão do Antimônio ainda continua fracamente ligado à ele. Sob a acção do campo eléctrico ou energia térmica, este electrão livre pode ser facilmente excitado da banda de valência para a banda de condução.

(23)

(a) (b)

Figure 1.4 (a) Semicondutor do Tipo – N, formado pelo acréscimo de Antimônio para Silício; (b) Semicondutor do Tipo – P, formado pelo acréscimo de Boro para Silício. Depois de ter libertado um electrão da valência, o átomo doador se torna um ião com carga positiva. Porém, não pode tomar parte na condução, pois é fortemente ligado à estrutura cristalina.

A adição do Antimônio aumenta consideravelmente o número de electrões de condução. Deste modo, a concentração de electrões na banda de condução é maior e ultrapassa a concentração de lacunas na banda de valência. Nestas condições, vemos que no Semicondutor do Tipo – N, os electrões constituem os maiores portadores de carga, enquanto as lacunas constituem as menores portadoras de carga. Quando aumenta o número de portadores de carga na banda de condução, o nível de Fermi muda para cima da banda de condução, como é ilustrado na Fig 1.5(b).

(a) (b)

Figura 1.5 Ilustração das posições do nível de Fermi em relação à banda de condução

Tipo - N aceitadora Tipo - P

geradora de lelectrões livres aceitadora geradora de lacunas Antimónio adicionado como impureza Boro adicionado como impureza

(24)

Universdade Virtual Africana 23

Actividade 1.5 Semiconductor Extrínseco do Tipo – P Aqui você aprende que:

Semicondutor extrínseco do Ipo – P, é formado quando um átomo trivalente como Boro é adicionado ao cristal puro de Germânio (Ou cristal de Silício puro, como é mostrado na figura. 1.4 (b)).

Os três electrões de valência do átomo de Boro formam ligações covalentes com quatro átomos de Silício em seu torno. Porém uma ligação fica incompleta. Tal ligação imcompleta é a responsável pelo surgimento de lacunas.

A impureza “aceitadora” produz tantas lacunas positivas em cristal de Silício, que nas suas proximidades existem átomos de Boro do tipo P (P de positivo) que criam semicondutores extrínsecos.

No semicondutor do Tipo – P, a condução é feita através do movimento de lacunas da banda de valência. As lacunas constituem os portadores maioritários uma vez que são eles os responsáveis pelo transporte de electrões.

Diferentemente do semicondutor do Tipo – N, o nível de Fermi nos do Tipo – P, retorna para a banda de valência, como ilustra a Figura 1.5 (a), porque aqui, as lacunas, que são as transportadoras de electrões, estão na banda de valência.

Actividade 1.6 Condutividade em semicondutores intrínsecos

Num semicondutor intrínseco a corrente total I, é o resultado da soma dos dois fluxos: electrões e lacunas. Tal soma é dada pela equação:

I = I

e

+ I

h

(7)

A partir da equação (7), pode ser demonstrado que

(i) I

e

8

(25)

Tarefa 1.6.1 Faça a anotação e a verificação das equações

(a) Use as referências disponíveis e verifique as Equações (8), (9) e (10) Sugestão: Observe que num semicondutor intrínseco, (o número de lacunas).

Actividade 1.7 Condutividade dos semicondutores extrínsecos

Em semicondutores extrínsecos, a densidade, corrente J, é dada pelas Equações. (11) e (12).

(i) Para semicondutores do Tipo – N:

= e( + )E (11) (ii) E, `para semicondutores do Tipo – P:

= e( + )E (12) Onde, depois de dopados, e são as densidades dos electrões e das lacunas em

semicondutores do Tipo – N e, e , são os electrões e lacunas no semicondutor Tipo – P, respectivamente.

Tarefa 1.7.1

• Você precisa tentar resolver muitos problemas numéricos relacionados à actividade 1.6, a fim de desenvolver uma confiança suficiente neste tópico.

Actividade 1.7.2 Força

Nesta actividade, você vai aprender que:

A direcção de movimento dos portadores de carga em semicondutores ocorre através de do mecanismos:

(i) Deriva de cargas, sob a influência do campo eléctrico aplicado e,

(ii) Difusão de carga de uma região de alta densidade de carga para outra de bai densidade de carga.

Num cristal quando lhe é aplicado um campo eléctrico, os portadores de carga atingem um movimento directo que resulta numa velocidade média líquida chamada de velocidade de deriva, , cuja direcção é a do campo eléctrico aplicado E, e produz uma corrente. A relação entre a velocidade de deriva  e o campo eléctrico aplicado é dada por:

(26)

Universidade Virtual Africana 25 A densidade total da corrente devido à deriva de electrões e lacunas é dada por:

J = + = e nE + e pE = e n + p)E (14)

Expressão em que n e p são as densidades dos electrões e lacunas, respectivamente.

Actividade 1.7.3: Difusão

Os principais conceitos que você aprende nesta secção são:

(i) A difusão é um fluxo gradual da carga de uma região de alta densidade para uma outra fraca densidade, sem a aplicação de campo eléctrico inicial, que eventualmente leve à um corrente eléctrica.

(ii) A difusão dos portadores de carga ou coeficiente de difusão D, que é constante, proporcional ao gradiente da sua densidade e tem como unidade:

(iii) A densidade da corrente devida à difusão das lacunas é dada por:

= -e (15)

Do mesmo modo:

= -e (16)

, são certas constantes que indicam, respectivamente, electrões e lacunas de difusão;

, o gradiente de densidade dos electrões;

, o gradiente de densidade das lacunas

Para a simulação do modo como varia a difusão do nível de Fermi em função à concentraç dos portadores de carga, consulte:

http://jas.eng.buffalo.edu/education/semicon/fermi/bandAndLevel/index.html.

http://jas.eng.buffalo.edu/education/semicon/fermi/bandAndLevel/index.html 10 de Outubro de 2007.

(27)

Actividade 1.7.4 Combinação entre as correntes de deriva e difusão

Num dado semicondutor, os processos de deriva e de difusão podem estar presentes simultaneamente. Assim, as expressões para as densidades dos electrões e das lacunas é dada pela Equação (17):

= e nE + e e = e pE + e (17) Actividade 1.7.5 Recombinação

(i) A recombinação também é um fenómeno que ocorre em semicondutores.

(ii) É o resultado da colisão de um electrão com uma lacuna, como o retorno livre d electrões da banda de condução à banda de valência;

(iii) A recombinação é acompanhada pela emissão de energia.

Além disso, nos semicondutores, a geração térmica dos pares electrão – lacuna ocorre continuamente. Deste modo, não existe uma taxa de recombinação líquida dada pela diferença entre a taxa de recombinação e geração dos portadores de carga.

Para saber mais sobre a difusão, a deriva e log de recombinação de cargas, favor de consultar: http://jas.eng.buffalo.edu/education/semicon/diffusion/diffusion.htmlhttp://

jas.eng.buffalo.edu/education/semicon/diffusion/diffusion.html . 7 de Outubro de 2007. Actividade 1.8 Junção P-N

Nesta secção você vai aprender que:

(i) Uma junção PN é formada, juntando numa mesma peça, um semicondutor dopado Tipo – P à um outro também dopado, desta feita com impurezas do Tipo – N.

(ii) A superfície de interface que divide o semicondutor do Tipo – P do semicondutor do Tipo – N, chama-se junção.

Além disso você também irá aprender que ocorrem os seguintes fenómenos:

1. Uma fina camada de depleção ou região que estabelece em ambos os lados da junção (também chamada de região de carga espacial ou de transição) por ser uma região que está empobrecida de portadores de carga livre.Sua espessura é de cerca de

m

. Veja a Fig. 1.6 2. Existe na superfície de interface da junção, uma barreira potencial ou junção potencial.

(28)

Universidade Virtual Avricana 27

Actividade 1.9 Formação e depleção da camada

Nesta actividade você irá aprender:

(i) Que no início da formação da junção PN, a concentração de lacunas na região P é maior do que a dos electrões da região N. (Onde elas existem como portadores minoritários);

(ii) Que, através da junção, se estabeleça uma diferença de concentração do gradiente de densidade, fazendo com que alguns dos elctrões livres e móveis na região N se difundam através da junção e se combinem com as lacunas formando iões negativos;

(iii) Tais electrões livres deixam para trás iões positivos na região N;

(iv) Conseqüentemente, uma carga de espaço se acumula, levando à criação de uma região estreita na junção chamada camada de depleção, como ilustra a Fig.1.6.

(v) Na junção com a polarização directa, a camada de depleção inibe qualquer difusão de electrões.

(29)

Actividade 1.10 Origem da junção de barreira ou de tensão

Os conceitos-chave para aprender são:

=

(18)

Onde

é a densidade dos electrões, N é a densidade das lacunas e a densidade de electrõe antes da dopagem.

E,

=

= 26 mV

Actividade 1.11 Banda de energia PN em equilíbrio

Aqui você aprenderá que:

(i) Durante o intercâmbio, o nível de Fermi dos dois lados da junção, mantém-se em equilíbio. Deste modo, electrões e lacunas alcançam um equilíbrio na junção e formam uma região de depleção como ilustra a Fig.1.7;

(ii) Na Fig. 1.7, o sentido ascendente representa o aumento da energia de electrões. Tal significa que a energia deve ser fornecida para que um electrão suba. Do mesmo modo, tem que haver o fernecimento de energia para que a lacuna desça.

(i) Uma diferença de potencial eléctrico conhecida como junção ou barreira de potencial é estabelecida através de uma junção PN, mesmo quando a junção é isolada externamente;

(ii) O estabelecimento do potencial de barreira é devido às linhas carregadas com cargas opostas fixas de iões de ambos os lados dos dois lados da camada;

(iii) A existência de uma barreira de potencial, , interrompe o fluxo de mais portadores através da junção menos alimentada pela energia de uma fonte externa; (iv) À temperatura ambiente de 300 º K, é cerca de 0,3 V para Ge e 0,7 V para o Si; (v) A expressão para a barreira de potencial é dada pela equação 18:

(30)

Figure 1.7. Posição do nível de Fermi em equilíbrio na junção P - N Actividade 1.11 Polarização directa de energia da banda P – N

Nesta secção você irá aprender que, quando a junção p – n é polarizada, como ilustra a figura. 1.8, os electrões de condução, em materiais do Tipo – N, através da junção ocorre uma difusão destes, uma vez que possuem maior energia do que as lacunas em materiais do Tipo – P. Como conseqüência, eles facilmente se combinam com as lacunas, tornando possível um progresso contínuo de corrente através da junção. Para demonstração da junção do díodo PN, com polarização, consulte:

http://jas.eng.buffalo.edu/education/pn/biasedPN/index.html. 5 de Outubro de 2007.

(31)

Actividade1.12 Condução polarizada

Em seguida mostraremos o que ocorre durante a condução polarizada:

(i) Numa junção pn, a corrente directa envolve os electrões do material tipo N movendo-se para a esquerda através da junção e recombinam-movendo-se com as lacunas no material tipo-p.

(ii) Como resultado, electrões se movem para a esquerda, pulando de lacuna em lacuna, dando a impressão que os furos se movem para a direita, como ilustra a Fig.1. 9.

Figura 1. 9 Condução polarizada

Actividade 1.13 Junção P-N polarizada inversamente

(i) Numa junção PN inversamente polarizada, (Fig. 1.10), uma tensão inversa faz com que uma corrente transitória de fluxo de electrões e lacunas seja impelida para fora da junção;

(ii) Quando o potencial térmico formado pela camada de depleção alargada for igual à voltagem aplicada, tal fluxo cessará, excepto para uma pequena corrente.

(32)

Actividade 1.16 Aplicações de Díodos

Actividade 1.16.1 Rectificação de meia onda

(a) (b) (c)

Figura 1.13 Rectificação de meia onda

Escreva notas curtas para explicar como a tensão de saída na fig. 1.13 (c) é obtida quando a corrente é alternada, Fig. 1.13 (a), é alimentada ao circuito na figura 1.13 (b). Use referência: http://ourworld.compuserve.com/homepages/g_knott/elect205.htm. (6 de Outubro de 2007.)

(33)

Actividade 1. 16.2 Rectificação de onda completa

Nesta actividade você usará o diagrama dado na fig. 1.14 para explicar como a corrente alternada é totalmente rectificada.

entrada saída

Actividade 1.16.3 Duplicador de Tensão Figura 1.14 Rectificação de onda completa

Use o esquema ilustrado na figura. 1.14 para explicar como os díodos D1, D2, D3, D4 depois de totalmente rectificados, causam uma corrente alternada. Para informações adicionais, consulte:

http://ourworld.compuserve.com/homepages/g_knott/elect207.htm. 6 de Outubro de 2007.

(34)

Universdade Virtual African 34

A fim de descrever o que ocorre num dobrador de tensão, você precisa usar o conceito que aprendeu ao explicar o funcionamento de um rectificador de meia onda.

Auto – Avaliação Nº 1

1. (a) Determine a concentração de portadores intrínsecos de Silício (Si) à temperatura de 350K, sendo os dados:

.

(b). Utilizando o execício da alínea (a) determine a condutividade do Silício sabendo que:

3. (a ) Explique porque é que, apesar dos semicondutores do tipo N terem excesso de electrões, e do tipo P excesso de lacunas de condução, mesmo assim continuam electricamente neutros.

(b) Explique o que se entende por "excesso" e "defeito" de condução.

4. (a) Explique como é que surge a barreira de potencial?

(b) Identifique os factores de que depende a barreira do petencial?

(c) Para uma dada junção pn, explique como cada um desses factores influenciam a magnitude da barreira de potencial?

= 0.14 e = 0.05

(35)

Actividade 2: Circuitos Transistor

Você precisará de 25 horas para concluir essa actividade. Aqui são fornecidas apenas orientações básicas com o objectivo de ajudá-lo a realizar a actividade..

Objectivos específicos de Ensino e Aprendizagem

• Explicar como funciona um Transistor de Junção Bipolar (TJB);

• Projectar e analisar os circuitos JFET em ambas configurações (CD, CS); • Projectar e analisar circuitos básicos BJT nas configurações de (CE), EB, CB);. • Explicar como funciona Transistor de Junção de Efeito de Campo Transistor (JFET);.

• Explicar como funciona o circuito MOSFET; • Projectar e analisar o circuito MOSFET. .

Síntese da actividade de aprendizagem

Lista de leituras obrigatórias

Esta actividade versa sobre o funcionamento da junção BJT. Isto inclui, entre outras polarizações, as de Junção EB; polarização inversa da junção BC, tensão, corrente, carga e controle, a configuração do transistor, os circuitos Transistor, Correntes de Fuga em Transistor. Uma série de equações também são derivadas. Estas incluem, entre outras, a relação entre as correntes dos transistores. Além disso, a actividade envolve a aprendizagem sobre transístor, características estáticas, ou seja, características de entrada, de saída e características de transferência da corrente constante. A última parte desta actividade é sobre o funcionamento do transistor do efeito de campo (FET) e MOSFET.

Lista de leituras obrigatórias

1ª Leitura: Livros de electrónica na versão WIKI

Referência: http://en.wikibooks.org/wiki/Electronics 5 de Outubro de 2007

Resumo: Os tópicos abordados nesta leitura incluem: circuitos analógicos, circuit

digitais, elementos de Circuitos Digitais, Arquictetura de Computadores, analógico-digit e conversores Digital-analógicos.

Justificativa: A leitura abrange profundamente os contornos das actividades do cur

básico de Electrónica.

2ª Leitura: Electrónica

Referência: http://en.wikipedia.org/wiki/electronics. 4 de Outubro de 2007

Resumo: Esta leitura é feita a partir de referências obtidas a partir de vários “sites”. Su

(36)

Lista dos recursos relevantes de MULTIMÉDIA

Referência: http://jas.eng.buffalo.edu/education/semicon/fermi/bandAndLevel/indexhtml.

4 de Outubro de 2007.

Resumo: O recurso apresenta os níveis de Fermi versus concentração de portadores

Também apresenta a dopagem de impurezas dadoras e aceitadoras.

Justificativa: Isso ajuda na aprendizagem da concentração dos portadores e na dopagem de

impurezas dadoras e aceitadoras.

Referência: http://jas.eng.buffalo.edu/education/fab/BjtFet/index.html. 4 de Outubro de

2007.

Resumo:As etapas de fabricação do par de Metal-Óxido-Semiconductor (MOS), Transisto

de Junção de Efeito de Campo Transistor (JFET) e um Transistor de Junção Bipolar (BJT envoltos numa pasta de Silício. Os quatro botões, o primeiro, o anterior , o próximo , e o passado, permitem visualizar as imagens estáticas em vários pontos da fabricação do dispositivo. O botão animate-next mostra-lhe através da seqüência de animação de horário de fabricação, o fluir a partir duma etapa para a etapa seguinte. A capacidade de animação ensina mais claramente as etapas da execução física envolvida. As etapas de fabricação de dispositivos semicondutores envolve muitas características físicas, químicas e térmicas etapas que, com este applet, permitirá que você entenda os conteúdos nele envolvidos.

Justificativa: Este é um recurso útil para aprender a usar este tipo de dispositivos.

Referência: http://jas.eng.buffalo.edu/education/transistor/n_MOS_IV/mosfet.html4 de Outubro de 2007

Resumo: O recurso mostra um applet que calcula as parcelas das características de saída de

vários canais, com especial realce os do tipo MOSFET. Tentar mudar a tensão dreno-fonte (VDS intervalo) e / ou o valor inicial “iniciar”da polarização de porta ou outros valores para verificar o seu efeito, mudar a corrente de dreno (VDS) para perceber o preconceito contra fuga.

Justificativa: Este é um recurso útil para aprender a calcular e traçar as características de

saída de um MOSFET de vários canais.

Lista de links úteis e relevantes:

Título: Amplificador do tipo MOSFET

URL: http://ocw.mit.edu/OcwWeb/Electrical-Engineering-and-Computer-Science/6-002Circuits-and-ElectronicsFall2000/VideoLectures/index.htm. 4 de Outubro de 2007.

Resumo: Este curso contém slides de palestras com o acompanhamento de vídeos de

palestras, a

descrição e demonstração ao vivo apresentados pelo instrutor durante as aulas.

Título: Transistores BJT e FET

URL: http://www.nhn.ou.edu/~bumm/ELAB/Lect_Notes/BJT_FET_transitors_v1_1.html. 3

(37)

Título: CMOS.

URL: http://en.wikipedia.org/wiki/CMOS. 4 de Outubro de 2007

Resumo: Este “site” oferece alguns materiais de boa leitura sobre a estrutura da porta

NAND, a mudança de alimentação e escapamento.

Título: Fonte Comum

URL: http://en.wikipedia.org/wiki/Common_source. 4 de Outubro de 2007

Resumo: O “site” proporciona uma leitura sobre as características de largura de banda.

Título: JFET.

URL: http://en.wikipedia.org/wiki/JFET4 de Outubro de 2007

Resumo: Esta é uma fonte de materiais de boa leitura sobre JFET e sobre a sua estrutura,

(38)

Universidade Virtual Africana 38

A descrição detalhada da actividade

Esta secção consiste numa mistura teórica sobre as instruções de que o aluno deve fazer prescritos no módulo da aprendizagem. O aluno é aconselhado a completar totalmente cada secção do módulo antes de passar à secção ou actividade seguinte. Para cada secção, o aluno é aconselhado a consultar as referências recomendadas. Isto é importante porque as instruções e as actividades descritas estão apresentadas de forma breve.

Actividade 2.1 Funcionamento do Transistor da Junção Bipolar (BJT)

Nesta secção você vai aprender como funciona um BJT, e a aprendizagem-chave inclue o seguinte:

(i) Um Transistor do tipo BJT consiste em três regiões diferentes de semicondutores dopados: a região do emissor, a região de base e na região de colector. Tais regiões são, respectivamente, do tipo p, tipo n e tipo p, formando um Transistor do tipo PNP, Fig. 2.1 (a), tipo e n, tipo p e tipo n, formando um Transistor do tipo NPN, Fig 2.1 (b). Cada região do semicondutor é conectado à um terminal, devidamente rotulado: Emissor (E), Base (B) e Colector (C);

(ii) Um Transistor do tipo BJT pode ser usado na amplificação ou comutação de aplicações;

(iii) Transistores bipolares são assim chamados porque o seu funcionamento envolve tanto electrões bem como lacunas;

(iv) Embora uma pequena parte do transistor actual seja devido ao fluxo dos portadores maioritários, a maioria dos transistores actuais é devido ao fluxo dos portadores minoritários, e assim, os dispositivos BJTs são classificados como dispositivos de "menores portadores de carga”.

(39)

Figura 2.2 Junções NPN e BJT directamente polarizadas e junções E-B e B-C,

inversamente polarizadas

(vi) Na operação típica de NPN, a junção base-emissor é polarizada directamente e a junção colector-base é parcialmente inversa, como é mostrado na Fig.2.2.

NB. Na figura. 2.2, a tensão entre E e B é simbolizada como “VBE” e entre C e B como “VCB “. A disposição da indicação dos índices tem a ver com o facto de, a base ser positiva com relação ao emissor e que, o colector também é positivo com relação à base.

(vii) Quando uma tensão positiva é aplicada à junção emissor-base e ocorre uma repulsão do equilíbrio gerado entre os portadores de carga térmica e o campo eléctrico, criando um desequilíbrio na camada de depleção, permitindo que os electrões excitados de movimento térmico se injectem para a região de base. Junto ao emissor, tais electrões se defundem "através da base da região de alta concentração para a região de baixa concentração perto do colector;

(viii) Os electrões na base são chamados de portadores minoritários, porque ela é dopada de cargas do tipo p que criam lacunas que são portadores maioritários na base;

(ix) A região de base do transistor deve ser fina, para que os portadores de carga possam se difundir rapidamente em relação aos portadores minoritários do semicondutor, isto para minimizar o percentual de portadores que se recombinam antes de atingir a junção base-colector;

(x) A junção base-colector está polarizada inversamente. Do colector à base, ocorre uma pequena injecção de electrões que se difundem através da base para o colector e são arrastados para o

(40)

Universidade Virtual African 40

Actividade 2.1.2 Definições – Chave

(i) Emissor: Esta região é fortemente dopada do que qualquer das outras regiões, pois

sua função principal é fornecer à base, portadores de carga maioritária;

(ii) Base: Esta região constitui a parte central do transistor. É muito fina em relação à qualquer emissor ou colector e é levemente dopada.

(iii) Colector: Sua principal função é colectar os portadores de carga maioritários que

vem do emissor, passando pela base.

(iv) A estrutura das junções NPN e BJT é mostrada na figura 2.3.

Figura 2.3 Estrutura das junções NPN e BJT

(v) A região do colector é muito maior do que a região do emissor, porque tem um maoir

poder de dessipar e de colectar portadores maioritários de carga na entrada..

Tarefa 2.1

Use: http://en.wikipedia.org/wiki/Bipolar_junction_transistor 7 de Outubro de 2007 e tome notas curtas sobre:

(i) Transistores do tipo – PNP;

(ii) Como são construídos os Transistores;

(iii) Enumerar as principais características físicas e práticas dos transistores do tipo NPN e BJT.

(iv) Cinco regiões distintas da operação do Transistor do tipo TJB: Directa – Activa, Inversa – Activa, Saturação, Corte e de Ruptura.

(41)

Actividade 2.1.3 Tensão, corrente e controle de carga

(a) Usando a referência http://en.wikipedia.org/wiki/Bipolar_junction_transistor, (7 de Outubro de 2007), você vai aprender que a corrente entre colector-emissor: (i) Pode ser vista como sendo controlada pela corrente emissor base (corrente de

controle), ou;

(ii) Pela tensão base-emissor (controle de tensão);

(iii) Estas visões são relacionadas pela conexão corrente – tensão da junção base – emissor;

(iv) A explicação física para a corrente do colector está fundada na quantidade dos portadores de carga minoritários na região de base;

(v) No projecto de circuito linear, a visão da corrente de controle é muitas vezes preferida, pois é aproximadamente linear. Ou seja, a corrente do colector é de aproximadamente (ver equação 2.2) vezes a corrente da base. O modelo de controle de tensão requer que se tenha em conta uma função exponencial.

Actividade 2.1.4. Configuração de um Transistor

Nesta secção você vai aprender acerca dos três tipos de ligação dos circuitos de BJT. 1. Existem três tipos de conexões de circuito para o funcionamento de um transistor, como é mostrado na figura 2.4

(a) Base – Comum CB; (b) Emissor – Comum CE; e (c) Colector - Comum CC. C E E _B _O/P _B _O/P O/P I/P I/P _E _I/P B C (a) (b) (c) Onde indica a entrada e ; a saída.

(42)

O termo comum é utilizado para designar o eléctrodo que é comum à entrada e saída. 2. Para demonstração do amplificador do emissor comum, consulte:

http://www.ngsir.netfirms.com/englishhtm/Amplifier.htm: 7 de Agosto de 2007

 Variar os diferentes componentes, tanto quanto puder e observar e anotar a variação dos parâmetros de saída.

3. Para Transistor npn, polarização, ver: http://server.oersted.dtu.dk/personal/ldn/javalab/

Circuito 04.htm 6 de Agosto de 2007.

4. Análise do amplificador do tipo BJT de etapa única: http://jas.eng.buffalo.edu/education/

ckt/bjtamp/index.html#. 6 de Agosto de 2007.

Actividade 2.1.5 Circuitos Transistores

Nesta secção são fornecidas notas básicas sobre o comportamento e as características do Transistor do tipo BJT ligados em circuitos. Você precisa lê-las, juntamente com outras referências, a fim de acompanhar o que ocorre realmente.

Figura 2.5 Fucionamento do transistor do tipo npn

1. Deve-se notar que num circuito de transistor:

(i) Os potenciais diferentes são designados pelo duplo índice. O índice representa sempre o primeiro ponto que é mais positivo. Por exemplo, na Fig.2.5, a diferença de potencial entre emissor e base é escrito como VBE (e não VEB) porque a base é positiva em relação ao emissor.

(ii) O transistor conduz corrente apreciável (da ordem de 1mA), do terminal C para o terminal E se e só se VBE está acima de um limiar de tensão por vezes referido como o corte de tensão, que é de cerca de 600 mV para o Transistor do tipo BJTs de Silício.

(43)

(iii) Esta tensão aplicada faz com que a junção pn "regresse" para baixo, permitindo um fluxo de electrões do emissor para a base;

(iv) Devido ao campo eléctrico existente entre a base e o colector, a maioria desses electrões atravessa, através do colector, a parte superior da junção pn, formando a corrente do colector, IC. O restante dos electrões recombinam-se com lacunas que cosntituem as maiores portadoras de carga na base, formando uma corrente por meio da conexão com esta, dando lugar a corrente de base, IB. Como ilustrado no diagrama, a corrente do emissor IE, representa a corrente total do transistor, que é a soma das correntes de outros terminais, isto é:

(v) IE IC IB

(vi) Por convenção, para transistor normal, as correntes que fluem são tidas como positivas e as que decorrem de fora são tidas como negativas. Daqui resulta que, IE seja

considerada como corrente positiva, e as IC e IB como negativas.

2. Principais pontos de aprendizagem

Os quatro marcos básicos sobre todos os circuitos de transístores são:

i. A corrente convencional flui ao longo da seta ao passo que os electrões fluem em sentido contrário;

ii. E / B junção é sempre polarizado directamente;

iii. C / B junção é sempre polarizado inversamente;

iv. I E I C I B

Actividade 2.1.6 Transistor ‘alpha’ e ‘beta’

1. Você precisa aprender sobre alguns conceitos fundamentais usados em conexão com transistores. De princípio, os conceitos para aprender são os seguintes:

(i) A eficiência de um Transistor do tipo BJT é medido pela proporção dos electrões capazes de atravessar a base e chegar ao colector;

(ii) Um maior doping da região de emissor de luz e dopagem da região base causa maior injecção de electrões do emissor para a base e de lacunas no sentido contrário;

(iii) O ganho de corrente do emissor comum é representado por bc ou hfe, e é aproximadamente igual ao rácio entre o colector de corrente contínua para a base de

(44)

.

2.1 .

2.2

Para a demonstração dos applets de Transistores do tipo BJT, consulte:http://jas.eng.buffalo.edu/ 6 de Agosto de 2007.

Para as etapas de fabrico dos Transistores do tipo FET e JBT, consulte:

http://jas.eng.buffalo.edu/education/fab/BjtFet/index.html. 6 de Agosto de 2007.

Para a obtenção de uma corrente alta, os portadores de carga maioritários, portadores injectados da junção base-emissor devem ser provenientes do emissor:

(i) As pequenas alterações na tensão aplicada entre os terminais de emissor-base faz com que a corrente que flui entre o emissor e o colector mude significativamente. Este efeito pode ser usado para amplificar a tensão de entrada ou em curso. Os transisitores do tipo BJTs podem ser concebidos como os de tensão e fontes de corrente, mas são mais simplesmente caracterizados como fontes de corrente controlada, ou devido à baixa impedância na base, desempenham o papel de amplificadores de corrente;

(ii) A maioria dos transistores bipolares do tipo NPN que são usados hoje, porque a mobilidade de electrões é maior do que a das lacunas em semicondutores, faz crescer as correntes maiores tornando as operações mais rápidas.

1. Um ac ac para um transistor, na configuração do CB, é a causa da mudança da corrente do colector para a corrente do emissor.

.

2.3

Isso também é conhecido como o ganho de curto-circuito de um transistor, dado por

-h

fb

(iv) Outro parâmetro importante é o ganho de corrente de base comum, dc. Ele é aproximadamente igual ao ganho de corrente do emissor para colector na configuração base comum. Esta proporção tem geralmente um valor aproximado à unidade, entre 0,98 e 0,998. Alfa e beta são mais precisamente relacionados com as seguintes identidades (transistor NPN):

(45)

2. Também ac em configurações CE é dada pela Equação (2.4).

.=

2.4

Exemplo: 2.1

Num transístor com a configuração em CB, IB e IE são, respectivamente de 1,5 mA e 30 mA. Calcular os valores de α e IC

Solução

IC IE IB 1.5 x 30 x 1.47 mA   

Exemplo 2.2 Analise a configuração de Colector – Comum:

Figura 2.6 Analise a configuração de Colector – Comum

Note que à entrada é aplicada uma corrente entre a base e o colector, enquanto na saída é retiradaentre o colector e o emissor (Fig. 2.4). IB é a corrente de entrada. Assim, ganho de corrente é dada pela equação 2.5

(46)

Assim, a corrente de saída, IE = (1 + β) x corrente de entrada

Em ambas as Figuras, quer a 2.6 (a) como a 2.6 (b), é válida a relação: IE IB IC .

Para a demonstração do amplificador de emissor comum (demonstração do seu trabalho) veja: http://www.educypedia.be/electronics/javacollectors.htm. 10 de Agosto de 2007. http://www.educypedia.be/electronics/composemiconductors.htm 10 de Agosto de 2007.

Resumo das actividades de aprendizagem

Lembre-se que as relações entre as correntes do transistor são as seguintes:

(i) . ;

. ; . e

.

(2.6)

A partir da Equação 2.6), o aluno deve ser capaz de mostrar que:

(a)

IC = IE; (b) IB =



1



IE ; (c) IE =

e (d) I E : I B : I C 1:



1



: 