Dispositivos semi condutores, Exercícios de Eletrônica

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1ª Lista de Exercícios de Dispositivos Semicondutores

Professor ME. Ricardo C. Rangel

Luciano Cunha e Pina Rosa

R.A 20118652

1. Explique o que são semicondutores intrínsecos. E o que são semicondutores extrínsecos?

Um semicondutor intrínseco é um semicondutor completamente puro sem nenhuma espécie dopante significativa presente. Portanto, os semicondutores intrínsecos também são conhecidos como semicondutores puros ou semicondutores do tipo i. Um semicondutor extrínseco, ou semicondutor dopado, é um semicondutor que foi dopado intencionalmente com o objetivo de modular suas propriedades elétricas, ópticas e estruturais.

2. Desenhe o diagrama de cargas da junção PN antes e após o contato. Desenhe também o diagrama

de faixas de energia.

Cristal de silício tipo P dopado com Boro e cristal de silício tipo N dopado por Fósforo antes da junção PN. Cristal de Silício tipo PN após a junção. Cristal de Silício tipo PN após a junção se recombinando. Camada tipo P – Camada de Depleção ou Barreira de Potencial – Camada tipo N

3. Explique o que acontece na região de depleção da junção PN:

Em polarização reversa temos um aumento das dimensões da região de depleção, bem como um aumento do campo elétrico e do potencial elétrico na junção. Força os elétrons livres na região N a se afastarem da junção em direção ao terminal positivo da fonte, lacunas da região P também se deslocam da junção para o terminal negativo. Os elétrons que saem deixam mais íons positivos próximos a junção e as lacunas ao se afastarem deixam mais íons negativos, com isso a camada de depleção fica mais larga, quanto maior a polarização reversa, maior torna-se a camada de depleção. A camada de depleção para de aumentar quando a sua diferença de potencial se iguala a tensão da fonte. Polarização direta empurra os elétrons da banda de condução na região N em direção a junção, ao entrar na região P, cada elétron encontra uma lacuna, ele continua sua jornada em direção a extremidade esquerda do cristal como elétrons de valência. Com tal fenômeno os mesmos irão se afastar das extremidades, aproximando-se do centro e diminuindo a zona de depleção. Quanto maior a carga elétrica aplicada, maior a repulsa e o afastamento e menor a zona de depleção, até chegar ao ponto em que ela inexiste e os elétrons estarão livres para recombinarem-se, isso ocorrerá tanto no sentido real como no sentido convencional da corrente.

4. Desenhe a curva característica do diodo. E relacione com os fenômenos físicos que ocorrem na

região de depleção.

Pela figura, nota-se que para o diodo há um valor da tensão gerado pela região de depleção. Este valor é de aproximadamente 0,7 volts para o diodo de silício e é de 0,3 volts para o diodo de germânio. Nota-se que para valores abaixo de 0,7 há uma pequena passagem de corrente e quando este valor é ultrapassado há uma passagem de níveis elevados de corrente elétrica. É possível ver também que no lado esquerdo do gráfico, há a parcela da corrente de saturação, que ocorre com a polarização reversa. Esta parcela é da ordem de nano amperes. Nota-se também que existe uma tensão VZ, chamada de tensão zener. Esta é a máxima tensão possível que poder ser colocada reversamente. Se for aplicada uma tensão maior que a permitida, haverá uma condução reversa que poderá danificar tanto o diodo, bem como o circuito associado. O comportamento de um componente eletrônico pode ser obtido aplicando-se uma tensão entre seus terminais, e medindo-se a corrente através do componente. Dessa forma geram-se pares de valores de corrente e de tensão que podem ser representados graficamente através da curva característica do dispositivo. No diodo semicondutor, por exemplo, a corrente depende do valor e da polaridade da tensão aplicada aos seus terminais, conforme mostrado na Fig.

5. Para os circuitos mostrados na Figura 1, usando diodos ideais, calcule os valores das tensões e das

correntes denominadas.

7. No circuito mostrado na Figura 3, os diodos exibem uma queda de tensão de 0,7 V. Para uma

senóide de 100 Hz com 5V de pico aplicada em A, esboce os sinais para os nós B e

C. Determine também a máxima corrente que atravessa um diodo neste circuito.

8. Dado o circuito abaixo, admita VDD=5V, R=1kΩ, Is=1x10-10 A e n=1,679. Determine com precisão

de 3 casas decimais, a corrente ID e a tensão VD.

11. Justifique por que o TBJ na região ativa JEB é polarizado diretamente e JCB reversamente.

Polarizar um transistor é fixá-lo num ponto de operação em corrente contínua, dentro de suas curvas características. JEB polarizado diretamente PNP: Porque existe uma condução através da junção base-emissor, que é provocada pela aplicação de uma tensão externa entre a base e o emissor com polarização direta, ou seja, com o material tipo p tendo polarização positiva com relação ao material tipo n. A corrente de base é produzida pela aplicação de uma tensão que polariza diretamente a junção base- emissor e cujo efeito é semelhante àquele observado em um diodo semicondutor polarizado diretamente. JCB polarizado reversamente NPN: Para operação na região ativa, a junção base-coletor fica polarizada inversamente, ou seja, com o material tipo p polarizado negativamente em relação ao material tipo n. polarizando-se reversamene a junção C – B, a barreira de potencial aumenta, diminuindo o fluxo de corrente de portadores majoritários. Os portadores minoritários atravessam a barreira de potencial com facilidade no sentido contrário, produzindo uma corrente desprezível, a corrente elétrica que circula é pequena (corrente de fuga).

12. Explique as regiões de operação (corte, saturação e ativa) através do gráfico de um TBJ IC x VCE.

Mostre o VCEsat.

Também chamado de polarização DC, este ponto de operação (ou quiescente) pode estar localizado nas regiões de corte, saturação ou ativa da curva característica de saída. No modo corte o transistor na junção emissor x base está em polarização reversa, a junção emissor x coletor está em polarização reversa e funciona como interruptores, portas lógicas e circuitos TTL. A utilização do transistor nos seus estados de corte, isto é, de modo que ele ligue conduzindo totalmente a corrente entre emissor e o coletor, ou desligue sem conduzir corrente alguma é conhecido como operação como chave. Nesta região a corrente de base é nula, existe apenas nesta configuração uma pequena corrente de fuga do coletor. No modo saturação o transistor na junção emissor x base está em polarização direta, a junção emissor x coletor está em polarização direta e funciona como interruptores osciladores, portas lógicas para contagem de tempo. O termo saturação é aplicado a qualquer sistema onde os níveis alcançam seus valores máximos. As condições para saturação são normalmente evitadas porque a junção base-coletor não está reversamente polarizada, e o sinal amplificado na saída estará distorcido. No modo ativo o transistor na junção emissor x base está em polarização direta, a junção emissor x coletor está em polarização reversa e funciona como amplificadores. Está região representa a operação normal do transistor. Nesta região o diodo base-emissor está polarizado diretamente e o diodo base-coletor inversamente polarizado. Nesta região, o coletor captura praticamente todos os elétrons que o emissor está jogando na base.

13. Explique como determinar os limites de operação de um TBJ. Faça um esboço de um gráfico IC x

VCE e determine graficamente os limites de operação.

Para o cálculo dos valores dos componentes é necessário compreender a sua função no circuito, compreendendo esta função e os limites de operação, você verificará que muitos valores diferentes podem ser utilizados com segurança. Isto lhe permitirá realizar suas montagens aproveitando ao máximo o que tem em mãos, sem precisar se ater ao valor exato indicado nos esquemas originais. O transistor é um elemento passivo e não pode fornecer energia ao sistema. De imediato, sabemos que VCE não pode ser maior que a tensão de alimentação VCC, e, portanto, a corrente IC no mínimo será nula, mas não negativa. Isso determina o chamado ponto de corte da reta de carga, em que o transistor funciona como uma chave aberta e se tem IC = 0 e VCE = VCC. Por outro lado, VCE não pode se tornar negativo pois passaria a operar como gerador. Idealmente, o limite inferior de VCE seria 0 V, no entanto VCE não consegue cair abaixo de uma tensão mínima conhecida como VCEsat (VCE de saturação). As grandezas que determinam os principais limites em um transistor são a máxima corrente de coletor, a máxima tensão inversa entre base e emissor, a máxima tensão inversa entre emissor e coletor e a máxima potência dissipada pelo transistor.

15. Determine: IC, VCE, IB e IE no circuito da Figura 7. Considere β=100, +VCC=12V, -VCC=-12V, RC=4k7,

RE=RB=10kΩ.

16. Determine o ponto Q no circuito da Figura 8. Considere β=100, +VCC=10V, RC=150kΩ, RE=51kΩ,

R1=330kΩ, R2=100kΩ.

18. Determine o ponto Q no circuito da Figura 10. Considere β=100, +VCC=20V, RC=8k2, RE=1kΩ,

R1=10kΩ.