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Lei de Ohm
Olhe mais uma vez a Lei de Ohm, V=IR, do ponto de vista dos
materiais. Reescreva como uma lei que é válida para todos os
pontos dentro de um material, portanto substituímos
tensão → campo elétrico, E,
corrente → densidade de corrente, J,
resistência → resisitividade.
Condutividade (moh/cm)
6.071 Semicondutores
resistividade (ohm cm)
área transversal
comprimento
resistência do objeto
Aplique a equação relacionada ao
objeto em um ponto específico.
1
Para introduzir semicondutores, é útil começar pela revisão dos condutores. Existem duas perspectivas
que podemos assumir ao explorarmos a condução,
Podemos pensar em dispositivos e, dessa forma, estaríamos interessados em propriedades de massa
(tensão, resistência, etc)
Ou
(2) Podemos pensar em materiais e, dessa forma, assumirmos uma visão microscópica em termos de
campo elétrico, densidade de corrente, etc.
Primeiro, observamos os materiais dos semicondutores, de forma que a segunda perspectiva é melhor.
Em seguida, introduziremos dispositivos compostos de semicondutores.
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Condutores, semicondutores e isolantees
ρ ≡ resistividade (ohm cm)
A ≡ área transversal
l ≡ comprimento
R ≡ resistência da amostra
escala log de
condutividade (S)
Prata
cobre
grafite
Germânio
σ ≡ condutividade (mho/cm)
1 siemen (S) = 1 mho/m
silício
borracha
vidro
teflon
6.071 Semicondutores
2
As propriedades elétricas CC de materiais podem ser expressas em termos de condutividade, que é o
inverso da resistividade, expressa em Siemens (ou mho/m). O gráfico à direita mostra a gama de
condutividades para materiais comuns.
Aqui, estamos interessados principalmente no silício, que é um condutor bem fraco.
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Estrutura de banda
permitida
proibida
preenchida
Bandas de
energia
semicondutor
metal
isolante
•
um isolante tem todos os seus elétrons ligados como elétrons de valência,
e há um grande salto de energia para libertá-los.
•
um metal tem uma banda parcialmente preenchida que permite a
mobilidade de elétrons.
•
um semi-condutor tem um pequeno vão de banda entre a banda de
valência preenchida e a banda de condução. Assim, por um pequeno
acréscimo de custo, o material irá conduzir.
6.071 Semicondutores
3
As propriedades de condução de um material puro podem ser diretamente relacionadas à estrutura dos
elétrons do material. Como você se lembra de suas aulas de química e física, a estrutura dos elétron é
composta de uma série de níveis de energia que os elétrons preenchem de forma sistemática.
Um metal tem uma banda parcialmente preenchida de níveis de energia, fornecendo, assim, liberdade
para que os elétrons se movam entre eles, movendo-se, dessa forma, através do material.
Um isolante tem uma banda completamente preenchida portanto um grande vão de energia antes da
próxima banda subjacente vazia mais baixa. Os elétrons podem se mover apenas se adquirirem a energia
necessária para saltar para esse conjunto de níveis vazios. Quanto maior for o espaçamento de energia,
mais difícil é conseguir isso e, conseqüentemente, melhor o isolante.
Os semicondutores têm bandas preenchidas, como um isolante, mas com um vão de banda relativamente
pequeno para os níveis não-preenchidos subjacentes mais baixos. Assim, alguns elétrons podem ter a
energia para fornecer mobilidade. É claro que a energia média de um elétron é uma função da temperatura
e, dessa forma, a condutividade é uma função da temperatura.
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Silício e semicondutores
•
o silício é abundante, e pode ser cultivado como um cristal grande e
bastante puro.
•
a condutividade do silício puro é bastante baixa, todos os elétrons se ligam
como elétrons de valência.
•
é fácil formar uma cadeia de óxido em Si, e a condutividade desse vidro é
extremamente baixa (é um isolante muito bom).
•
Si pode ser dopado para adicionar elétrons ou lacunas como condutores.
6.071 Semicondutores
4
O silício é um excelente material para aplicações de semicondutores.
Primeiro, a condução é bastante baixa para silício puro. Não é zero, mas, acima de tudo, você pode pensar
no silício como uma gama de átomos ligados de forma bivalente.
Da mesma forma, o silício pode ser altamente purificado, de forma que quaisquer impurezas que sejam
intencionalmente colocadas no silício dominarão facilmente defeitos não-intencionais.
Finalmente, embora o silício sejam um condutor ruim, o dióxido de silício (vidro) é um isolante muito
bom.
Muitas das vantagens de se usar silício estão associadas ao processamento extremamente preciso que tem
sido projetado ao longo dos últimos 50 anos.
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Condutividade Intrínseca do Silício
• a condutividade é expressa em termos de:
as densidades do portador, ni e pi
(número intrínseco de portadores de elétron e lacunas)
e, a carga dos portadores (carga do elétron e = 1,6 x 10-19 Coulombs).
µ, mobilidade do portador.
para Si:
a 300ºK: ni = pi = 1,5 . 1016
σ = 4,4 . 10-4 S
6.071 Semicondutores
5
A condutividade intrínseca do silício vem em duas formas:
O movimento dos elétrons,
E o movimento das lacunas (locais vazios esperando um elétron).
Como uma analogia, você pode pensar nos átomos como uma gama de baldes, e nos elétrons como bolas
colocadas nos baldes. Se há muitos baldes vazios e apenas algumas bolas, você poderia manter o controle
da distribuição anotando as localizações das bolas. Por outro lado, se há muitas bolas e apenas alguns
baldes sem, então é mais eficaz anotar quais baldes estão vazios em vez de tentar manter controle de todas
as bolas. Em qualquer caso, são as bolas que se movem, contudo.
Observe também que, já que os elétrons estão se movendo se há apenas algumas vagas, então, para um
movimento aparente de uma lacuna, muitos elétrons devem se mover e, assim, não é surpreendente que a
mobilidade das lacunas seja mais baixa que a dos elétrons.
Claramente, o entendimento total disso exige mecânica quântica, e não devemos nos ater muito
firmemente a esse quadro, que somente é dado para motivar que o comportamento é “razoável”.
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silício dopado do tipo n
Substituindo-se uma pequena quantidade de Si por outra espécie atômica,
podemos mudar drasticamente a condutividade. Por exemplo, P ou As (e
outros elementos do grupo V) têm cinco elétrons de valência (em vez das
quatro do silício) e, dessa forma, em elétron extra (além do necessário para a
ligação) está disponível para cada átomo substituído. Tais materiais dopados
são chamados de tipo n para o portador de carga negativa.
elétron
extra
6.071 Semicondutores
6
O poder real de se usar silício é superfíciedo de sua dopagem, adicionando pequenas quantidades de
outros elementos para mudar drasticamente a condutividade.
O silício tem quatro elétrons de valência externos e, assim, gostaria de participar de quatro ligações
covalentes. Dopando-se esses elementos que possuem mais ou menos elétrons de valência, os elétrons ou
lacunas extras (falta de elétrons) fornecem um portador para condução.
O fósforo, e outros elementos de grupo V, possuem cinco elétrons de condução e, assim, quando
adicionados dopados como impurezas ao silício, introduzem portadores de elétrons. Tais materiais são
chamados de tipo n, já que a maioria dos portadores são de carga negativa (um elétron).
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silício dopado do tipo p
Dopando-se Si com um elemento do grupo III, como B ou Ga (que possuem
apenas 3 elétrons de valência), nós criamos uma lacuna. A lacuna é um poço
em potencial para o qual um elétron pode se mover. Tais materiais dopados
são chamados de tipo p, de portador de carga positiva. Observe que os elétrons
ainda se movem, mas as lacunas são exclusivas, e são elas que parecem se
mover. Observe também que tanto materiais do tipo n quanto do tipo p
possuem carga neutra.
elétron
faltante
6.071 Semicondutores
lacuna
7
O boro, e outros elementos do grupo III, possuem apenas 3 elétrons de valência e, dessa forma, quando
adicionados ao silício, introduzem portadores de lacunas (ausência de elétrons). Esses são chamados de
tipo P, já que o tipo de portador eficaz pode ter carga positiva.
É importante reconhecer que, embora as impurezas estejam adicionando portadores e, assim, variando
significativamente a condutividade do material composto, elas não estão mudando a carga. Os aditivos
são adicionados como neutros, e os materiais globais permanecem eletricamente neutros. É exatamente
dessa mesma forma que um bom condutor (digamos o cobre), também é neutro.
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silício dopado
Banda de condução vazia
níveis de doador
níveis de receptor
Banda de valência preenchida
tipo n
tipo p
semicondutor dopado
A dopagem de um semicondutor introduz níveis no vão normalmente proibido
entre as bandas de valência e condução. As propriedades mais interessantes
desse novos materiais provêem da interação dos portadores de carga na
interface (junção) entre materiais do tipo n e p.
6.071 Semicondutores
8
Do ponto de vista da física de estado sólido, o efeito da dopagem é introduzir níveis de energia no vão de
banda entre a banda de valência preenchida de silício e a banda de condução de nível mais alto. Esses
níveis de doador e receptor reduzem de forma eficaz o vão de banda e tornam a condução mais fácil.
O termo doador é decorrente do fato de que nos, materiais do tipo N, cada átomo dopador doa um elétron.
De forma semelhante, o termo receptor existe porque, nos materiais do tipo P, cada átomo dopador aceita
um elétron (ou é uma lacuna).
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semicondutor extrínseco (dopado)
Em semicondutores dopados, a concentração de impurezas típica é de 1022
átomos de doador ou receptor por m3 . Isso gera concentrações de 5-6 ordens
de magnitude mais altas que os condutores intrínsecos no silício. Portanto, o
número de portadores livres é bastante próximo ao nível de dopagem.
Uma relação importante para qualquer semicondutor dopado é*:
(nº de portadores de elétron) X (nº de portadores de lacuna) = (nº de elétrons
intrínsecos)2
Portanto, a dopagem de um semicondutor reduz a concentração de portadores
minoritários: a condução se dá principalmente pelo portador de impureza.
; semicondutor do tipo n
; semicondutor do tipo p
*A demonstração disso está além dessa classe, exigindo estatística de Boltzmann e física de estado sólido.
6.071 Semicondutores
9
Esse é um ponto pequeno, mas a mensagem a se lembrar é que, em semicondutores dopados, a ação
ocorre com o portador de impurezas.
Assim, no tipo N, os materiais dopados seguem os elétrons e, no tipo P, os materiais dopados seguem as
lacunas.
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semicondutor extrínseco (dopado)
Calcule a condução de silício dopado com arsênico e índio a 1022 átomos por
m3 .
O arsênico é um aditivo do tipo N.
O índio é um aditivo do tipo P.
lembre-se de que a condutividade intrínseca do silício é muito mais baixa.
Observe também que a densidade atômica do silício é
6.071 Semicondutores
10
O ponto a ser lembrado é:
A condutividade é uma função da concentração dopagem,
Materiais dopados terminam com a condutividade aproximada do grafite (bons condutores com a
condutividade aproximada de um resistor de baixo valor).
Materiais do tipo P e N possuem diferentes condutividades.
Mesmo em um material fortemente dopado, o aditivo ainda só está presente em níveis de partes por
milhão.
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Junção PN
Uma junção de silício dopado do tipo P
e N.
_________________________
Distribuição de carga livre instável
íon do
receptor
ligado
lacuna
livre
6.071 Semicondutores
íon do
doador
ligado
Distribuição de carga estável
As cargas opostas nos dois lados da
junção combinam e eliminam a
liberação de um certo grau de energia.
O dispositivo é, no geral, neutro, mas
agora há um campo elétrico através da
junção.
elétron
livre
11
O interesse nos semicondutores é como eles se comportam quando você une dois ou mais deles. Um
condutor dopado é, por si só, apenas um resistor, e existem formas muito mais fáceis de se construir
resistores.
O dispositivo no canto superior esquerdo é uma junção PN (um material dopado P colocado próximo a
um material dopado N). Isso forma um diodo.
No canto inferior esquerdo, aparece a configuração de portadores, elétrons e lacunas que existiriam se os
dois materiais fossem colocados lado a lado, mas sem se tocar.
Quando uma junção PN é formada, as cargas e as lacunas que se encontram na interface se combinam e
eliminam. Isso introduz uma zona de depleção ao redor da junção, onde há uma falta líquida de
portadores. Mais uma vez, observe que, já que um elétron negativo se elimina com uma lacuna positiva,
então a estrutura líquida permanece neutra.
A eliminação de portadores libera um certo grau de energia, e isso pode ser usado para gerar fótons de luz
(como é o caso dos diodos emissores de luz – LEDs), e, alternativamente, a luz pode ser usada para criar
portadores, como é o caso de foto-diodos e foto-transistores. Estes serão introduzidos mais adiante.
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Junção PN
A eliminação de portadores de carga
através da junção leva a uma separação de
carga, q(x).
zona de depleção
Isso, por sua vez, leva a um campo
elétrico, E(x).
permitividade
ou
e uma Tensão através da junção.
*para Si, 0,2V para Ge
6.071 Semicondutores
12
A ausência de portadores de carga na interface de uma junção PN significa que há uma separação de
carga através da junção (já que as impurezas não são, de forma alguma, afetados pela eliminação do
portador). A separação de carga introduz um campo elétrico através da junção, e isso é uma tensão.
Observe que, embora exista uma separação de carga, não há excesso de carga, e o dispositivo é
eletricamente neutro.
A área do campo elétrico (ou separação de carga) é chamada de zona de depleção, já que a eliminação de
portadores de carga resulta na área da junção onde não há portadores.
Para dispositivos de silício, a separação de carga resulta em uma tensão de 0,7V através da interface.
Essa é a origem da tensão necessária para ligar um diodo.
Para semicondutores à base de germânio, a separação de carga leva a uma pequena tensão de junção
(0,2V).
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Junção PN de Polarização Direta
Uma tensão conectada através de uma
junção PN com o terminal positivo
conectado ao lado P irá injetar elétrons na
região N e removê-los (injetar lacunas) na
região P. O resultado é uma abundância
de portadores. Os portadores se difundem
através da junção e se eliminam,
permitindo o fluxo de uma corrente. Essa
eliminação também é chamada de
recombinação.
Id é a corrente de difusão (portadores se difundindo através da junção)
Io é a corrente de portadores de minoritários (portadores de minoritários de
portadores intrínsecos).
6.071 Semicondutores
13
A essência da ação de uma junção PN de polarização direta é que é possível injetar portadores
majoritários. Então, uma junção PN com uma tensão positiva através dela possui elétrons sendo injetados
na região N e lacunas a região P, então, contanto que a tensão através do dispositivo seja suficiente para
superar a tensão de junção, uma corrente irá fluir.
Quando uma junção PN tem polarização direta, a corrente de difusão é muito maior que a corrente de
portadores minoritários, que pode ser ignorada.
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Junção PN de polarização reversa
Sob uma polarização reversa, a zona de
depleção aumenta, e a corrente de difusão
é reduzida. A corrente de portadores
minoritários permanece inalterada. Essa
corrente de saturação reversa, ou corrente
de superfície, é de normalmente 10-12 A
em Si. Ela é um pouco maior em Ge, 106
A, e é por isso que Si é mais comum para
diodos e transistores.
Um diodo de polarização direta se assemelha a um curtocircuito, e um diodo de polarização reversa se assemelha a
um circuito aberto.
6.071 Semicondutores
14
No caso de polarização reversa, a junção fica ainda mais carente de portadores, e a corrente importante é
a corrente de portadores minoritários (ou corrente de saturação reversa). Isso é pequeno em comparação
com a corrente direta no caso de polarização direta, mas deve ser lembrado para algumas aplicações.
A corrente de portadores minoritários não é influenciada pela tensão através da junção, e é simplesmente
uma propriedade do material. Para o silício ela é baixa, ao passo que para o germânio é de cerca de um
micro-ampère. Esse é o principal motivo por que o silício é mais comum em diodos e transistores.
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Retificador e diodo
Tanto as correntes de difusão quanto de superfície
seguem a lei de dependência de Boltzmann. A
corrente de superfície é independente de tensão
aplicada, ao passo que a corrente de difusão depende
da tensão aplicada. Como vimos, estas estão em
direções opostas.
Id = corrente de difusão; Io = corrente de
superfície,
K = constante dependente da geometria
e = carga do elétron (1,6 10-19 C)
V = tensão aplicada; Vo = tensão da junção
k = constante de Boltzmann (0,38 10-23 J/ºK)
T = ºK
6.071 Semicondutores
15
Aqui, fornecemos uma aproximação simples para a corrente em um diodo de silício. As mensagens
importantes são:
A curva IV é dependente da temperatura,
A corrente tem uma dependência exponencial da tensão.
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características do diodo
Propriedades:
Si ou Ge, determina a queda de tensão através do diodo e a corrente de
superfície.
Tensão reversa máxima, PRV (tensão reversa de pico) ou
PIV (tensão inversa de pico).
IF, para corrente direta máxima
Capacitância da junção, tempo de recuperação reversa.
A capacitância depende do tamanho e da geometria da junção, a capacitância
pode ser encarada paralelamente à junção.
Uma IF grande normalmente significa uma grande capacitância de junção: o
que acontece se você tentar usar esse diodo em altas freqüências?
6.071 Semicondutores
16
Para cada dispositivo existem características definidoras que a indústria considera útil ao descrevê-los.
Mesmo no caso de um dispositivo simples como um diodo, existem centenas de tipos que foram
especificamente projetados para:
Comutação
Retificação
Potência
Alta freqüência
Baixas perdas
Normalmente, ao escolher um diodo, você precisa saber as classificações máximas para tensão e corrente.
Além disso, os diodos possuem uma capacitância significativa, e isso deve ser incluído nos projetos de
alta freqüência.
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Manual do diodo
6.071 Semicondutores
17
Manual típica de um diodo multi-propósito. Retirada do site Fairchild, que é um lugar conveniente para se
encontrar folhas de dados.
Todas as folhas de dados começam mostrando as várias versões do dispositivo, em seguida fornecem as
classificações máximas seguidas das especificações e, talvez, configurações de teste.
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Manual do diodo
6.071 Semicondutores
18
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caracterizando um diodo
Se um excesso de corrente for enviado através de um diodo, ele se torna
equivalente a um fusível queimado. Como testamos isso?
Ohímetro
sonda negativa
Por que normalmente existe um circuito de
diodo separada (além do circuito de
resistência)?
sonda positiva
O galvanômetro é um eletroímã controlado por corrente que torciona uma
agulha acopla a molas.
resistência direta ~ alguns ohms
resistência reversa ~ megaohms
6.071 Semicondutores
19
Um problema para se refletir para a seção de apresentação oral.
Se um ohímetro é suficiente para testar a função de um diodo, por que muitos multímetros possuem uma
circuito separada para diodos?
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Sensibilidade dos Diodos à Temperatura
A corrente através de um diodo de
polarização direta é uma função da
temperatura e, dessa forma, um diodo
corrente
pode ser usado como um sensor de
constante temperatura.
tensão constante
Aqui temos duas opções, corrente
constante e tensão constante.
No modo de corrente constante, dV/dT ~k/e~0,002V/ºC.
fonte de
corrente
6.071 Semicondutores
voltímetro
20
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Uma junção é uma fonte de corrente?
Uma junção PN possui uma separação de carga que se assemelha à de um
capacitor. Se você curto-circuitar isso com um arame, uma corrente irá fluir?
Ou, de forma equivalente, a tensão da junção é removida por um curto?
6.071 Semicondutores
21
Problema para refletir para a apresentação oral.
Com a separação de carga através da junção de diodo, ele se assemelha a um capacitor com carga. Nós
vimos que, quando curto-circuitado, um capacitor com carga forneceu una fonte drástica de energia, o
diodo também o faz? Em outras palavras, se curto-circuita um diodo, há fluxo de corrente?
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De volta aos diodos de retaguarda
Usados para evitar ruídos de circuitos de freqüência de rádio.
Lembre-se de que os diodos possuem capacitância eficaz
~4pF para diodos de comutação, 1 N914’s
desligado por
6.071 Semicondutores
22
Slide 23
De Volta aos Diodos de Retaguada (cont.)
6.071 Semicondutores
23
Slide 24
Regulador de Tensão
Zener Real
Zener Ideal
Os zeners são diodos que possuem
resistência variável. Especificamente,
os zeners possuem uma saída de
corrente constante ao longo de uma
gama de tensões de entrada. Dessa
forma, fornecendo uma corrente
constante para um circuito, os zeners
podem ser usados como reguladores
de tensão.
saída
Um regulador de tensão simples.
ent
Supressão de ondulações
insatisfatória, exige um zener com alta
faixa de potência, e variações com
impedância de carga.
6.071 Semicondutores
1
Slide 25
Transistor de junção bipolar
emissor
coletor
coletor
base
emissor
base
Um dispositivo com 2 junções e 3 terminais (base, emissor, coletor).
Corretamente polarizado, a junção do emissor é polarizada de forma direta e a
junção da base do coletor é polarizada de forma reversa.
O emissor é mais fortemente dopado que o coletor, e podemos assumir que o
emissor proporciona todos os portadores.
A base é fina e atua no controle do emissor para a corrente do coletor,
obs.: essa é uma corrente de elétrons (caso npn) e, portanto, a corrente
convencional flui do coletor ao emissor.
6.071 Semicondutores
25
Slide 26
Junções de diodos e BJT
coletor
emissor
Com polarização direta, a junção PN de um diodo possui uma alta taxa de
recombinação e, dessa forma, suporta uma grande corrente.
Com polarização direta no BJT, a junção base para emissor PN possui baixa
taxa de recombinação (a base é fina e levemente podada), portanto o elétron se
encaminha ao coletor, onde se torna novamente o portador majoritário.
6.071 Semicondutores
26
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BJT de emissor ligada à massa
emissor
TENSÃO BASE-EMISSOR ON (V)
coletor
Tensão Base-Emissor vs Corrente de
Coletor
Ic = CORRENTE DO COLETOR (mA)
β~100
Normalmente desligado, pequena
corrente de entrada na base e
tensão relativa ao emissor liga-o,
comutando e amplificando
6.071 Semicondutores
27
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HFE = GANHO DE CORRENTE PULSADA TÍPICO
Dependência de temperatura do BJT
6.071 Semicondutores
Ganho de Corrente Pulsada
Típico vc Corrente de Coletor
Ic – CORRENTE DE COLETOR (mA)
28
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BJT de base ligada à massa
Nessa configuração, a corrente de coletor
é independente da tensão da base do
coletor, e varia de forma linear com a
corrente do emissor.
O BJT é raramente usado na
configuração de base ligada à
terra, mas tem a vantagem de
mostrar o emissor como a fonte de
portador de corrente.
Usado como o estágio de entrada de um
pré-amplificador impulsionado por uma
fonte de corrente.
6.071 Semicondutores
29
Slide 30
Demonstração de Testador de Transistor Nº1
Nessa demonstração, o testador de transistor será usado para gerar curvas de
resposta corrente-tensão características para o BJT 2N3904 e o JFET 2N5459.
O testador funciona aplicando um padrão de tensão em dente-de-serra (ou a
fonte/dreno para JFET), assim como aplicando uma seqüência de etapa de
corrente à base (porta).
tempo
A corrente ou tensão do coletor resultante (dreno) é então usada para gerar as
curvas características com VA configurado como o eixo x no osciloscópio.
6.071 Semicondutores
30
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Demonstração de Testador de Transistor Nº2
Entrada do Testador:
tempo
6.071 Semicondutores
31
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Propriedades de Transistores Bipolares
β (ganho de corrente) não é um parâmetro, ele varia com tudo.
IC,MAX – faixa máxima de corrente de coletor máximo.
BVCBO = máxima tensão coletor-base.
BVCEO = máxima tensão base-emissor.
VEBO = tensão de ruptura emissor-base.
P D = dissipação máxima de potência do coletor.
6.071 Semicondutores
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Manual 2N2222 (1 de 3)
6.071 Semicondutores
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Manual 2N2222 (2 de 3)
6.071 Semicondutores
34
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Manual 2N2222 (3 de 3)
6.071 Semicondutores
35
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Regulador de Tensão
Configuração de seguidor de
emissor.
Corrente de base é de apenas 1/β da
corrente de alimentação.
Filtro RC reduz ondulação.
6.071 Semicondutores
36
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A junção é uma fonte de corrente? Não
O curto-circuito dá a impressão de
que você dobrou a junção para
formar uma segunda junção. Cada
junção possui sua própria zona de
depleção e, conseqüentemente, há
uma diferença de tensão entre os
dois lados da estrutura.
6.071 Semicondutores
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