Frequência Tipo 01-2002

Instituto Superior de Ciências do Trabalho e da Empresa
FUNDAMENTOS
DE
ELECTRÓNICA
ETIB1/ETIB2
Frequência Tipo 01/02
I. Semicondutores
1. Considere o seguinte troço de semicondutor intrínseco de silício com comprimento d=20cm
e secção A=0.0001m2, ao qual está aplicada uma diferença de potencial de 5V. Assumindo
que a distribuição de carga é uniforme, responda às seguintes alíneas:
a) Calcule a norma do vector campo eléctrico. Represente as linhas (planos) de
equipotencial e os vectores de campo eléctrico ao longo do semicondutor. Represente o
sentido de movimento de um electrão livre e de uma lacuna.
b) Calcule a concentração de electrões livres e de lacunas bem como a condutividade do
material à temperatura ambiente (27ºC). Comente o efeito da diminuição da
temperatura na concentração de portadores e na mobilidade.
c) Calcule os valores da resistividade do material e da resistência deste troço
semicondutor. Calcule os valores da corrente e do vector densidade de corrente no
semicondutor e represente-os graficamente.
2. Considere o seguinte semicondutor de silício dopado com átomos de fósforo (átomos
dadores - tipo n) com comprimento c=0.01m e diâmetro d=0.02cm, ao qual está aplicada
uma tensão de 2V. Assumindo que a concentração de impurezas n=1016cm-3 e que a
distribuição de carga é uniforme, responda às seguintes alíneas:
a) Represente graficamente, justificando, a estrutura cristalina gerada neste tipo de
semicondutor e explique o tipo de carga móvel que é usada para conduzir eletricidade e
a forma e sentido como se movimenta na estrutura.
b) Calcule e represente sobre a estrutura o vector campo eléctrico. Calcule a
condutividade do material e a resistência do troço de semicondutor. Calcule e
represente ainda a corrente eléctrica e o vector densidade de corrente eléctrica.
c) Calcule a velocidade média e indique o sentido do seu movimento, e calcule o tempo
médio que um portador demora a atravessar o cristal.
3. Explique o processo de geração de pares electrão-lacuna em semicondutores intrínsecos e
a forma como permitem a condução de corrente. Qual o papel da temperatura neste
processo, e explique por que razão não há condução a 0ºK?
II. Díodos
1. Considere o seguinte circuito em que R = 3 k, VDD = 5V:
a) Indique a zona de funcionamento do diodo, justifique. Prove-o por redução ao absurdo.
b) Represente graficamente a recta de carga e indique o ponto de funcionamento do
díodo.
c) Sabendo que Is=1fA determine com rigor a tensão VD e a corrente ID aos terminais do
díodo (use um método iterativo e garanta 4 algarismos significativos).
d) Explique o que entende por tensão de threshold e explique como o seu valor é
influenciado pela temperatura.
e) Calcule o valor da condutividade incremental do díodo gm 
modelo linear equivalente.
I D
e represente o seu
V D
2. Considere o seguinte circuito:
a) Indique justificando as zonas de funcionamento (condução ou corte) dos díodos para a
seguinte tabela de valores de entrada.
VA
VB
0V
0V
0V
4.5V
5V
0V
5V
5V
DA
DB
b) Em cada um dos casos, utilizando o modelo da tensão constante (assuma VD=0.7V)
determine o valor da corrente I e da tensão VO. Que tipo de porta lógica pode ser
implementado com este circuito.
III. Transístores de Junção Bipolar (TJBs)
1. Represente fisicamente um transistor de junção bipolar do tipo npn e explique as suas
diferentes zonas de funcionamento (identifique os terminais).
2. Considere o seguinte circuito em que o TJB é usado numa montagem de emissor comum.
Assuma que Vth=0.6V e considere que |vi|=0.1V . Assuma ainda que RB=100k, RC=1.5k,
F=100, VB=3V e VCC=10V.
a) Obtenha os valores das tensões e correntes DC que estabelecem o ponto de
funcionamento em repouso (PFR).
b) Calcule o valor de gm 
I C
correspondente e represente o modelo incremental da
VBE
montagem. Deduza as fórmulas e calcule o ganho incremental de tensão.
IV. Transistores de Efeito de Campo (MOSFETs)
1. Represente fisicamente um transistor de efeito de campo e do tipo NMOS e explique o
seu princípio de funcionamento. Explique quais as diferentes zonas de funcionamento e o
estado do canal em cada caso (identifique os terminais).
2. Explique a diferença entre um TEC de enriquecimento e um TEC de depleção.
3. Considere o seguinte circuito em que o TEC é usado como amplificador e em que
kn 
W
 1mAV 2 , VDD=10V e Vth=0.6V. Considere que a amplitude da fonte de sinal
L
|vgs|=0.1V e f=1kHz.
a) Dimensione a fonte de alimentação VGS usada para polarizar o TEC, de modo a
assegurar o funcionamento do transistor NMOS na zona activa com I D=1mA. Obtenha
os valores das tensões e correntes DC que estabelecem o ponto de funcionamento em
repouso (PFR).
b) Calcule o valor de gm 
I D
neste circuito.
VGS
c) Represente o modelo incremental desta montagem, e deduza as fórmulas do ganho
incremental de tensão entre a entrada e a saída do circuito.
d) Calcule o valor máximo de RD que garante que o transistor não entra na zona de tríodo.
Explique por que é necessário ter este cuidado.
e) Calcule o valor do ganho incremental máximo (se não fez a alínea anterior use
RD = 1.8k). Represente a evolução temporal dos sinais de entrada e de saída tal como
os esperaria observar no osciloscópio.