7 - MATERIAIS SEMICONDUTORES
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Isolantes, Semicondutores e Metais
• Isolante – é um condutor de eletricidade
muito pobre;
• Metal – é um excelente condutor de
eletricidade;
• Semicondutor – possui condutividade entre
os dois extremos acima.
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Semicondutores
O material básico utilizado na construção de
dispositivos eletrônicos semicondutores, em estado
natural, não é um bom condutor, nem um bom isolante.
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Silício e o Germânio
• O silício e o germânio são muito utilizados
na construção de dispositivos eletrônicos.
• O silício e o mais utilizado, devido as suas
características
serem
melhores
em
comparação ao germânio e também por ser
mais abundante na face da terra.
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Temperatura, Luz e Impurezas
• Em comparação com os metais e os
isolantes, as propriedades elétricas dos
semicondutores são afetadas por variação
de temperatura, exposição a luz e
acréscimos de impurezas.
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MODELOS ATÔMICOS DE BOHR
• O átomo é constituído por partículas
elementares, as mais importantes para o nosso
estudo são os elétrons, os prótons e os nêutrons.
• Camada de Valência
- A última camada
eletrônica (nível energético) é chamada camada de
valência. O silício e o germânio são átomos
tetravalentes, pois possuem quatro elétrons na
camada de valência.
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Camada de Valência
O silício e o germânio são átomos tetravalentes, pois
possuem quatro elétrons na camada de valência.
O potencial necessário para tornar livre qualquer um
dos elétrons de valência é menor que o necessário para
remover qualquer outro da estrutura.
Os elétrons de valência podem absorver energia
externa suficiente para se tornarem elétrons livres.
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Corrente em Semicondutores
Em um semicondutor intrínseco, tanto elétrons quanto lacunas
contribuem para o fluxo de corrente.
Elétrons livres de sua posição fixa no reticulado: movem-se na
banda de condução.
• Elétrons na banda de valência: movem-se
ocupando
posições
disponíveis
no
reticulado, preenchendo os vazios deixados
pelos elétrons livres - Condução de lacunas
migrando ao longo do material no sentido
oposto ao movimento do elétron livre.
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MATERIAIS EXTRÍNSECOS
Dopagem - A adição de certos átomos estranhos aos átomos de
silício ou germânio, chamados de átomos de impurezas, pode
alterar a estrutura de camadas (bandas) de energia de forma
suficiente mudar as propriedades elétricas dos materiais
intrínsecos.
Material extrínseco - Um material semicondutor que tenha sido
submetido a um processo de dopagem por impurezas é chamado
de material extrínseco.
Esses materiais são chamados de: tipo N e tipo P.
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MATERIAL DOPADO
TIPO N
Um método de dopagem consiste na utilização de elementos
contendo 5 elétrons na camada de valência (penta-valente),
como o antimônio, arsênio e fósforo.
O quinto elétron, porém, fica desassociado de qualquer ligação.
Esse elétron pode tornar-se livre mais facilmente que qualquer
outro, podendo nessas condições vagar pelo cristal.
O material tipo N resultante, é eletricamente neutro.
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MATERIAL DOPADO
TIPO P
O material tipo P é formado pela dopagem do
semicondutor intrínseco por átomos trivalentes como o
boro, gálio e índio.
Há agora um número insuficiente de elétrons para
completar as ligações covalentes. A falta dessa ligação é
chamada de lacuna ou (buraco).
Como uma lacuna pode ser preenchida por um elétron, as
impurezas trivalentes acrescentadas ao silício ou germânio
intrínseco, são chamados de átomos aceitadores ou
receptores.
O material tipo P resultante é eletricamente neutro.
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Semicondutores dopados ou extrínsecos
• Impurezas penta-valentes: antimônio, arsênico, fósforo
produzem semicondutores do tipo-n, por contribuírem com
elétrons extras (impurezas doadoras).
• Impurezas trivalentes: boro, alumínio, gálio produzem
semicondutores do tipo-p, por produzirem lacunas ou
deficiência de elétrons (impurezas aceitadoras).
N
P
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Estrutura de bandas de energia
Banda de
condução
Banda de
condução
Elétrons
livres
Banda
proibida
Lacunas
Banda de
Valência
Banda de
Valência
isolante
semicondutor
condutor
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Bandas de Energia
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Dopagem
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Junção
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Polarização Direta
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Polarização Reversa - Indireta
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Propriedades de transporte de carga
Geração, recombinação e tempos de vida de portadores
Recombinação indireta
Recombinação direta
Processos de recombinação de portadores em semicondutores.
- Transições com libertação de energia pelo processo Auger (possível em
todos os semicondutores)
- Transições diretas com emissão de radiação (possível nos semic. de
hiato direto)
- Transições por armadilhamento no hiato (possível em todos os
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semicondutores)
Em semicondutores de hiato direto, a taxa de recombinação (Re) é:
Rec é o coeficiente de recombinação (depende do material e está
relacionado com a probabilidade de recombinação direta elétronburaco)
O excesso de portadores de um tipo leva à diminuição da
população de portadores do outro tipo, pelo processo de
recombinação.
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Em semicondutores de hiato direto, o tempo de vida dos portadores
minoritários depende essencialmente da concentração de dopante.
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Em semicondutores de hiato indireto, a recombinação direta interbandas é muito menos provável, uma vez que é necessário que no
instante da transição exista a participação de um fonão que permita ao
portador mudar o seu momento linear.
Por isso o coeficiente de recombinação tem os seguintes valores típicos:
Rec ~ 10-10 cm3/s para semicondutores de hiato direto
Rec ~ 10-15 cm3/s para semicondutores de hiato indireto
Um fônon ou fonão, na física da matéria condensada, é uma quase-partícula
que designa um quantum de vibração em um retículo cristalino rígido.
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Nos semicondutores de hiato indireto o processo mais provável é a
captura inicial de um dos portadores numa armadilha eletrônica,
seguindo-se a captura do outro portador.
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Em semicondutores de hiato indireto, o tempo de vida dos
portadores minoritários depende da concentração de estadosarmadilha, da sua velocidade térmica e da sua seção eficaz de
captura
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Difusão de portadores
Perante um desequilíbrio espacial na concentração de portadores, a 2ª
Lei de Fick, enuncia que:
Este fluxo de portadores por difusão dá origem a uma corrente elétrica
de densidade:
Para elétrons:
Para buracos:
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Emissão termiônica
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Emissão termiônica
A emissão termiônica é portanto uma corrente de portadores maioritários.
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Emissão termiônica
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Emissão termiônica
A corrente termiônica obedece à expressão:
Onde A* é a constante efetiva de Richardson:
Os díodos MIS e os díodos de Schottky são baseados no efeito de
emissão termiônica
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Efeito de tunelamento
Baseia-se em fenômenos da mecânica quântica.
Elétrons com energia menor que a barreira, têm uma probabilidade não nula de a
poderem atravessar, Tt:
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Efeito de carga espacial
Num semicondutor, a densidade “líquida” de carga, ρ, em cada ponto é
dada pelas contribuições dos portadores e dos íons da rede:
Se a distribuição espacial da carga não for equilibrada, esta gera um
campo elétrico interno.
Este campo vai condicionar a corrente no interior do semicondutor.
Em equilíbrio, n = ND+ e p = NA- e portanto ρ = 0.
O desequilíbrio de carga pode ser gerado pela injeção de portadores nos
extremos da amostra.
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Efeito de carga espacial
Uma injeção intensa de portadores nos extremos da amostra causa
um desequilíbrio na distribuição de cargas.
Esse desequilíbrio causa o aparecimento de um campo elétrico
interno que se opõe ao campo externo (aplicado).
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Efeito de carga espacial
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Propriedades de transporte de carga
Fonões acústicos e ópticos, transversais e longitudinais
Fonões acústicos estão relacionados com a temperatura (unidades
quânticas kT), propagam-se à velocidade do som e têm comprimentos de
onda dessa ordem de grandeza.
Interagem com a matéria, fazendo oscilar localmente todos os átomos na
mesma direção.
Um fônon ou fonão, na física da matéria condensada, é uma quasepartícula que designa um quantum de vibração em um retículo
cristalino rígido.
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Fonões ópticos correspondem à vibração inter-atômica e vibram com
frequências elevadas (da ordem das micro-ondas ou mesmo
infravermelhos).
Interagem com a matéria fazendo oscilar localmente os átomos em
direções opostas.
Os átomos vizinhos comportam-se como se pertencessem a subredes diferentes, propagando-se a oscilação em cada sub-rede.
Fonões transversais são oscilações na direção perpendicular à da
propagação.
Fonões longitudinais são oscilações na direção da propagação.
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Propriedades ópticas (resumo)
As propriedades ópticas dos semicondutores são caracterizadas
pelo índice de refração complexo, ݊
ത.
A parte real, vulgarmente designada de “índice de refração”, está
relacionada com as propriedades de transmissão da luz:
c = velocidade da luz no vácuo
v = velocidade da luz no material
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Existem três tipos de transições eletroópticas:
- As transições diretas “permitidas” (a).
- As transições diretas “proibidas” (b).
- As transições indiretas “permitidas”
ou “proibidas” (c).
As transições diretas “permitidas” ocorrem para qualquer valor de k,
mas dão-se sem alteração de k.
São muito frequentes.
As transições diretas “proibidas” ocorrem para valores de k ≠ 0, mas
dão-se com alteração de k. O k final inclui o momento (muito pequeno
mas não nulo) do fotão absorvido.
São muito pouco frequentes.
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As transições indiretas ocorrem para qualquer valor de k, mas dãose necessariamente com alteração de k. Estas transições são
assistidas por fonões, quer por absorção, quer por emissão.
O k final inclui a soma ou a diferença do momento do fonão.
Por outro lado, Efinal = Efóton ± Efonão= Eg, consoante o fonão seja
absorvido ou emitido.
As transições indiretas também podem ser “permitidas” ou
proibidas”.
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Nos materiais de hiato direto, a transição entre bandas ocorre quase
sempre sem alteração de k, - transições “permitidas”
Se a transição ocorrer em k=0 então só pode ser uma transição
“permitida”.
Nos semicondutores de hiato direto as transições são quase
exclusivamente do tipo “permitido”. No caso particular de fótons
com hν = Eg a transição é do tipo “permitida”.
Para estas transições γ = ½ e portanto o coeficiente de absorção de
materiais com hiato direto vem:
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Nos materiais de hiato indireto, a transição entre bandas ocorre
sempre com alteração de k e participação de fonões
- transições indiretas.
A distinção entre transições “permitidas” e “proibidas” é semelhante à
das transições diretas (o momento do fotão não ser ou ser incluído no
momento do elétron, durante a transição).
Para as transições “permitidas”, γ = 2; para as “proibidas”, γ = 3
Como as transições “permitidas” são sempre muito mais frequentes,
fixemos γ = 2.
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Temos então duas possiblidades para α:
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A atenuação de I devido à absorção na espessura d e à reflexão na superfície é:
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OPERAÇÃO DO DIODO
(JUNÇÃO P-N)
– Dispositivos
eletrônicos
como
transistors, circuitos integrados, chips,
etc...
usam
a
combinação
de
semicondutores extrínsecos tipo “p” e
tipo “n” .
• DIODO é um dispositivo que permite a
corrente fluir em um sentido e não em
outro. É construído juntando um
semicondutor tipo “n” e outro tipo “p”.
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JUNÇÃO P-N
-Quando uma tensão é aplicada como no
esquema abaixo, os dois tipos de cargas
se moverão em direção à junção onde se
recombinarão. A corrente elétrica irá fluir.
-Como no esquema abaixo, a tensão
causará o movimento de cargas para
longe da junção. A corrente não irá fluir
no dispositivo.
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O díodo de junção pn
A formação da junção
(equações fundamentais)
1- A recombinação é causada pela difusão de portadores
2- A difusão é causada pelo gradiente de concentração de portadores
3 - O campo elétrico emergente tende a separar as cargas impedindo a continuação do
processo de recombinação
- situação de equilíbrio
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O díodo de junção pn
A formação da junção (equações fundamentais)
Região de depleção ou região de carga espacial
Região de Depleção:
• Não há portadores livres
Região de Carga Espacial:
• Existe um campo elétrico (¸ )
causado pela distribuição de carga
ao longo de χd
Estende-se mais para o lado
menos dopado (igualdade do nº
de cargas ionizadas)
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O díodo de junção pn
A formação da junção (equações fundamentais)
Região de depleção ou região de carga espacial
- Equação de Poisson :
ρ = densidade de carga (C/cm3)
ψ = potencial elétrico (V)
ε0 = constante dielétrica do vácuo (F/cm)
ε = constante dielétrica relativa do semicondutor
- Equação do Campo Elétrico:
Pressupostos da análise:
- Os dois semicondutores têm uma
concentração de impurezas constante.
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- A carga elétrica
Durante a recombinação:
- Cada elétron livre anula-se com um buraco => |QN| = |QP|
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- O campo elétrico
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- O campo elétrico
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- O potencial
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A extensão da região de depleção
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A extensão da região de depleção
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A extensão da região de depleção
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Carga por unidade de área
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Carga por unidade de área
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Polarização direta fraca
Para pequenas polarizações diretas (V < ~0,7V)
• Redução da RCE (Região de Carga Espacial)
• Não há corrente apreciável
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Polarização direta forte
Para polarizações diretas apreciáveis (V> ~0,7V)
• Há portadores que atravessam a junção em
grande quantidade
• Há corrente - Díodo de junção p/n está em
condução
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Polarização inversa
Para polarizações inversas (V < 0V)
• χd aumenta de extensão - injeção de minoritários aumenta recombinação
• ¸ (campo elétrico) aumenta de intensidade
• Os portadores gerados termicamente na RCE são separados e acelerados para lados
opostos da junção, originando a corrente de saturação, ISAT.
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Polarização inversa muito forte (ruptura)
Ruptura por instabilidade térmica: (processo de geração térmica)
• Dá-se apenas em diodos feitos de material semicondutor com hiato
pequeno (ex. Ge).
• Devido ao baixo Eg, ni e portanto ISAT são relativamente elevados.
• Em polarização inversa, o produto ISAT.VR (potência dissipada) é
suficiente para aumentar a temperatura da junção.
• O aumento da temperatura leva ao aumento de ni e portanto de ISAT
• Esta realimentação positiva leva ao surgimento de uma corrente
inversa considerável, acompanhada de um aumento intenso da
temperatura: ruptura do diodo.
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Polarização inversa muito forte (ruptura)
Ruptura por efeito de avalanche: (processo de ionização por impacto)
• Dá-se para a maior parte dos diodos.
• Os portadores livres na região de depleção estão sob um campo elétrico
muito forte: entre 2 colisões sucessivas com átomos da rede, adquirem
uma energia cinética superior a Eg. Nestas condições, ao dar-se a colisão,
libertam elétrons das ligações covalentes.
• Estes portadores provenientes da ionização são acelerados pelo mesmo
processo e chocam com outros e-, arrancando-os também das ligações
covalentes.
• Aumento exponencial de e- arrancados: A corrente inversa torna-se
muito elevada – ruptura do diodo.
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Ruptura por efeito de avalanche:
• A ruptura inicia-se quando é atingido na junção um valor crítico
de campo elétrico, ¸C :
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Polarização inversa muito forte (ruptura)
Ruptura por efeito de Zener: (processo de efeito de túnel)
• Dá-se para díodos com NA e ND muito elevados.
• A RCE é estreita e a barreira de potencial muito intensa
(¸ grande).
• Polarização inversa dá aos elétrons energia suficiente para
atravessar essa barreira por efeito de túnel.
• A corrente inversa é controlada pela tensão necessária para que
se inicie o processo: Tensão de Zener.
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Diodos
Exemplos
junção pn: retificador;de sinal; zener; LED (diodo emissor de
luz); fotodiodo.
junção n-metal : diodo Schottky
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Diodo Retificador
Característica: Uma corrente fluirá se aplicarmos uma
tensão através da junção em um determinado sentido, mas
se a tensão for aplicada em sentido oposto, somente uma
pequena corrente fluirá (praticamente nula).
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Diodo Zener
Característica: Difere do diodo retificador por poder operar em
condução inversa, sem se danificar (respeitados os limites de
corrente). Usando, em geral, como regulador de tensão. Observe que
em condução reversa temos o ponto em que ocorre a "ruptura"
quando então a corrente pode aumentar muito no sentido reverso
mas a tensão no diodo não varia.
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Diodo de Sinal
Característica: Exceto pelas características referentes à rapidez
com que passa de um estado para outro é idêntico ao diodo
retificador. Se o requisito é velocidade na transição de estados,
opta-se pelo uso do diodo de sinal.
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Diodo Emissor de Luz (LED)
Característica: Emite luz quando sua junção está diretamente
polarizada. Seu invólucro é translúcido, permitindo a observação da luz
emitida. É uma fonte de luz monocromática, emitindo luz na faixa do
infravermelho (não visível), ou na faixa do espectro visível (vermelho,
laranja, amarelo, verde, azul).
A tensão da barreira de depleção é de aproximadamente 2V. A corrente
para a emissão de luz em intensidade adequada à visualização, se situa
em torno de 10 a 15mA.
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Exemplo
Um LED é constituído a partir de uma junção p-n baseada
num material semicondutor cuja lacuna de energia é
1,9eV. Qual é o comprimento de onda emitido? Em que
região do espectro eletromagnético este LED emite ?
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Fotodiodo
Característica: Tem sua corrente ampliada em polarização inversa,
quando incide luz em sua junção. Seu uso se dá, em geral, em
conjunto com o LED formando um par receptor-emissor de luz. Se
caracterizam tanto pela sua sensibilidade como pela velocidade com
que respondem às variações da intensidade da luz incidente. Nos
computadores são usados, entre outros, para receber as informações
de um feixe de laser que incide na superfície de um CD.
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Transistor
Dispositivo controlador de intensidade de corrente, possui três
terminais: emissor, base, coletor.
O mecanismo pelo qual controla a intensidade de corrente varia,
podendo classificá-los como:
•Transistores Bipolares;
•Transistores de Efeito de Campo (FET’s).
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Transistores Bipolares
A corrente do coletor é controlada, enquanto a corrente da base é
o mecanismo controlador.
Cada uma das junções do transistor se comporta de forma
anteriormente apresentada para diodos de junção.
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Transistores Bipolares
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Transistores FET’s
A intensidade de corrente nos transistores de efeito de campo é
controlada por meio de uma tensão.
Existem dois tipos de transistores de efeito de campo:
•JFET : Transistor de efeito de campo de junção;
•MOSFET: Transistor de efeito de campo metal-óxido semicondutor.
MOSFET’s – base para construção dos circuitos lógicos CMOS.
Vantagens: baixa dissipação de potência e comportam mais
componentes por unidade de área.
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Transistores – a evolução...
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