Trabalho Diodo túnel

Trabalho Diodo túnel

TRABALHO:

DIODO TÚNEL

ALUNO(S): MARCELINO SOUZA DA SILVA

JUNIO DOMINGUES

CARLOS

DISCIPLINA: ENCIAS E ENGENHARIA DE MATERIAIS

CURSO: ENGENHARIA ELÉTRICA

PROFESSOR: CARLOS IGNÁCIO

INDICE

1 - Introdução 03

2 - Definição  03

3 - Princípios de funcionamento 04

4 - Tipos de diodo túnel 04

4 .1 - Diodo de Efeito Túnel feito de silício 04

    1. - Diodo de efeito túnel de plástico 05

5 - Princípios de Ciências e Engenharia de Materiais 06

6 - Semicondutor 06

6 .1 - Semicondutor Tipo N  06

6.2 - Semicondutor Tipo P 07

7 - Junção PN 08

7.1 Junção PN com Polarização Reversa 08

8.Volume de produção anual a nível mundial e Brasil 09

9 – Referências bibliográficas 10

1 - Introdução

 

Em, 1929, este tipo de dispositivo,diodo túnel, já havia sido  previsto  por George Gamow - físico americano que iniciou estudos pra explicar a grande emissão de neutrinos vindas  de explosões termonucleares do interior solar -  e, recebeu esta denominação devida seu principio  operacional estar relacionado com um conceito da mecânica quântica, cuja probabilidade do elétron afunilar-se através de uma barreira de energia a qual não pode  superar. O diodo de túnel surge em 1958 advindo das pesquisas do cientista japonês Dr. Leo Esaki  efetuadas nos laboratórios de desenvolvimento da Sony Corporation, no Japão.

 

2 - Definição 

 

Sua concepção consistia na formação de uma junção bastante abrupta entre as regiões P e N de uma matriz de Germânio com alto teor de impurezas, obtendo-se uma área de depleção bem fina, da ordem de centésimos de mícron.De uma forma geral o comportamento deste tipo de diodo, correspondia ao efeito de resistência negativa, o que permitia o seu emprego em topologias de circuito para aplicações em alta freqüência, amplificação ou mesmo comutação.       .Devido a sua extrema velocidade de processamento de sinais, cerca de 100 pico segundo, descortinou-se um grande futuro para o diodo de túnel.Entretanto, este interesse  logo se desvaneceu  não somente pelo rápido desenvolvimento da tecnologia de processo de fabricação de transistores, mas, também,  pelo aparecimento do circuito integrado que tornou  o elemento fundamental para fabricação da memória dos computadores, área esta que fora  originalmente o alvo do diodo inventado pelo Dr. Esaki.Como visto, a necessidade de dispositivos semicondutores de repostas ultra-rápidas e, para operar em freqüências  elevadíssimas, na faixa compreendida além do espectro visível, ganhava grande impulso no início da década de 1960. Assim muitos destes  dispositivos  foram oriundos de novos materiais de tecnologia avançada, como o Arsenieto de Gálio e, o Fosfêto de Índio, os quais foram as bases para o desenvolvimento do diodo de emissão de luz, ou L.E.D. (Light Emitting Diode) .

Fig 01: Junção PN em aberto mostrando as duas correntes (difusão e de deriva)  

3 - Princípios de Funcionamento

Quando um bloco de silício tipo N e um outro bloco de silício tipo P são colocados em contato íntimo (junção metalúrgica) os portadores de carga (elétrons e lacunas) em excesso de lado N e do Lado P se neutralizam através do processo de difusão. A corrente que se estabelece é conhecida como corrente de difusão. Com o processo de difusão as cargas fixas do silício, que estavam neutras, se tornam íons devido à recombinação de pares elétrons-lacuna.  Estes íons criam um campo elétrico que por sua vez provoca uma corrente elétrica (conhecida como corrente de deriva) de sentido contrário à corrente de difusão. Quanto maior for a corrente de difusão maior será a corrente de deriva em sentido oposto até que haja um equilíbrio entre elas, ou seja os portadores de carga não conseguem mais atravessar o campo elétrico por difusão.   Desta forma, estabelece-se regiões distantes a região neutra (onde a carga total é zero) e a região de depleção onde a concentração de portadores de carga é zero. Quando aplicamos uma polarização direta (positivo no lado P e negativo no lado N) o campo elétrico externo criado na região de depleção é de sentido contrário ao campo interno fazendo com que a barreira de potencial seja reduzida permitindo a passagem de corrente elétrica através da região de depleção.

Figura.2 – polarização da junção PN

4 – Tipos de Diodo Túnel:

4 .1 – Diodo de Efeito Túnel Feito de Silício

Este diodo é capaz de transmitir mais eletricidade que qualquer outro componente do seu tipo e que pode ser construído diretamente sobre um chip normal de silício.Ao contrário de outros diodos de sua classe, chamados de diodos de efeito túnel, o novo diodo é compatível com o silício, a matéria-prima básica dos chips. Desta forma é possível construí-lo diretamente nos circuitos eletrônicos. A possibilidade de incorporação dos diodos túnel diretamente na matriz dos chips deverá representar um elemento importante na diminuição dos custos e na miniaturização dos circuitos eletrônicos. Além disso, os diodos túnel conseguem, sozinhos, substituir uma quantidade significativa de elementos de um circuito, o que deverá contribuir também para a simplificação dos projetos dos chips, sem queda no seu desempenho.

    1. – Diodo de Efeito Túnel de Plástico

Pesquisadores da Universidade do Estado de Ohio, Estados Unidos, criaram um novo diodo túnel de polímero orgânico – um componente eletrônico que poderá abrir caminho para memórias de computadores e circuitos lógicos flexíveis, feitos de plástico. Hoje, os todos os chips de computadores são feitos de silício, um material inorgânico.

O novo diodo transmite eletricidade a temperatura ambiente. Segundo o coordenador da pesquisa, Paul Berger, seu design permite que ele seja facilmente fabricado. Na experiência, ele e seus alunos uniram dois diodos em um rudimento de chip, chamado de porta lógica, que foi alimentado por uma voltagem equivalente à de uma bateria de relógio.

Como a grande maioria dos plásticos não conduz eletricidade, os pesquisadores vinham fazendo suas experiências com componentes eletrônicos plásticos – que têm a grande vantagem de serem flexíveis – valendo-se dos efeitos da mecânica quântica. O problema é que isso exige a manipulação individual de moléculas de plástico a temperaturas criogênicas, o que torna os experimentos difíceis de serem repetidos.

  Características principais:

  • Resistência muito baixa em ambos os sentidos, dentro de uma certa faixa de tensão polarização.

  • Dentro de uma segunda faixa de tensão de polarização ele exibe uma tensão negativa.

  • Na terceira faixa de tensão de polarização ele funciona como um diodo convencional.

fig.3 características do diodo túnel

5 - Princípios de Ciências e Engenharia de Materiais

O diodo túnel é um dispositivo semicondutor constituído de dois tipos de materiais semicondutores; semelhante ao diodo convencional; ou seja; os elementos semicondutores tipo P e N (Semicondutores intrínsecos e extrínsecos).

Semicondutor intrínseco é aquele encontrado na natureza na sua forma mais pura, ou seja a concentração de portadores de carga positiva é igual à concentração de portadores de carga negativa.Num semicondutor, a descontinuidade de energia é tal que um certo número de elétrons estão aptos a saltar da banda de Valencia para banda de condução.

Semicondutores extrínsecos ou dopados são semicondutores intrínsecos onde introduzimos uma impureza para controlarmos as características elétricas do semicondutor.

6 - Semicondutor Tipo N 

O semicondutor tipo N é obtido adicionando-se quantidades controladas de impurezas penta valente ao material puro (semicondutor intrínseco). Por exemplo adicionando-se o fósforo (P) o qual é penta valente (5 elétrons na camada de valência), o mesmo substituirá um átomo de semicondutor (Ge ou Si). Quatro dos seus elétrons serão compartilhados com quatro átomos vizinhos de Si enquanto o quinto elétron poderá se tornar livre em temperaturas muito baixas sem que seja gerada lacuna. Desta forma inicialmente só teremos elétrons livres como portadores de carga, por isso o material  é chamado de N e a impureza de doadora. Aumentando-se mais ainda a temperatura será atingida uma temperatura para a qual será gerado o par elétron-lacuna. Os elétrons livres são chamados de portadores majoritários enquanto as lacunas são chamadas de portadores minoritários.

Fig 04: ( a ) Átomo de fósforo ligado a quatro átomos de Si ( b )  quinto elétron livre, gera um íon preso à estrutura

cristalina                                                                                                                

(a) (b)

6.1 - semicondutor tipo P

O semicondutor tipo P é obtido adicionando-se quantidades controladas de impurezas trivalente ao material puro (semicondutor intrínseco). Um exemplo deste tipo de impureza é o boro (B). Como o boro é trivalente os seus três elétrons de Valencia serão compartilhados com quatro átomos de Si, porém uma das ligações não será completada. Essa lacuna poderá se comportar como um portador de carga positivo em uma temperatura muito baixa quando um elétron de valência de um átomo vizinho se deslocar para ocupar aquela vaga.

Fig 05: ( a ) Átomo de boro ligado a quatro átomos de Si ( b )  a vaga (lacuna) é preenchida por um elétron de valência de um átomo próximo, gera um íon negativo preso à estrutura cristalina                

(a)(b)

7 - Junção PN com Polarização Reversa

 Quando aplicarmos uma polarização reversa (positivo no lado N e negativo no lado P) o campo elétrico interno criado na região de depleção é no mesmo sentido ao campo interno fazendo com que a barreira de potencial aumente dificultando a passagem de corrente elétrico através da região de depleção.

Fig 06: Junção PN com polarização reverso

7.1 Volume de produção anual a nível mundial e Brasil

A produção de componentes eletrônicos, em especial de semicondutores, da mesma forma, tem apresentado crescimento semelhante, em virtude basicamente da elevada difusão de equipamentos eletrônicos, como informática, telecomunicações e, em menor grau, eletrônica de consumo, automóvel e automação. Esse crescimento se deu a despeito das elevadas oscilações decorrentes da forma de crescimento em saltos da oferta e da desaceleração do crescimento da demanda.

A participação do Brasil nessa indústria é praticamente nula. Não existe atividade produtiva relevante de semicondutores na economia brasileira, o que tem provocado elevados déficits na balança comercial do setor. O déficit comercial do complexo eletrônico alcançou US$ 6,4 bilhões em 2000, sendo a rubrica componentes responsáveis por US$ 3 bilhões desse total. Esse elevado saldo negativo é um indicador da necessidade de internalizarão dessas atividades no Brasil.

As reduzidas atividades de produção de semicondutores no Brasil restringem-se nesse sentido aos elos finais da cadeia que utilizam semicondutores, basicamente design fuzis e testes. Por mais que se admita que a reversão do elevado déficit comercial seja uma intenção de prazo mais largo, é preciso intensificar os esforços de internalização de atividades ligadas à produção de semicondutores. Dentre os elos da cadeia, os que apresentam maiores oportunidades são backend e design houses.

8 – Referências bibliográficas:

<<http://www.poli.usp.br/pro/redecoop/ARTIGO%20FINAL%20BAH%20POLI%20JUN%202002r.PDF>>acessado em 11/11/07.

<<http://www.prd.usp.br/redecoop/BAH-POLI%5B1%5D.USP%20Workshop.pdf>>acessado em 11/11/07.

<<http://www.eletronica24h.com.br/cursoeletronica/cursoEN1/aulas/Aula002.htm>>acessado em 09/11/07.

VAN VLACK, Lawrence Hall. Principio de ciência e tecnologia dos materiais. Rio de Janeiro 1984.

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