Fundamentos de Electrónica

Instituto Superior de Ciências do Trabalho e da
Empresa
Fundamentos de Electrónica
ETIB1/ETIB2
Frequência 01/03
Duração da Prova: 2h30m + 30m tolerância
I.
1.
Semicondutores
Dada uma secção de um cristal de silício intrínseco,
a) Determine a densidade de electrões livres e de lacunas ( ni ) à temperatura de
30ºC e 100ºC.
b) Se o semicondutor for dopado com uma concentração de impurezas aceitadoras
de 10 / cm , determine qual é a densidade de electrões e lacunas resultante.
Assuma uma temperatura de 30ºC.
17
3
c) Determine a resistividade da secção de silício dopada.
d) Se a secção de semicondutor tiver um comprimento, L  10 m , uma largura
W  50 m e uma profundidade D  50 m determine a resistência da secção
de semicondutor.
2. Dado um semicondutor com um perfil da concentração de lacunas dado por,
p( x)  p0 e

x
LP
determine qual é o valor da densidade de corrente de difusão para
p0  10 / cm e LP  10m .
15
3
x  0 . Assuma,
II.
1.
Díodos
Indique a distribuição de cargas de num díodo semicondutor. Represente a variação
do potencial eléctrico. Identifique a origem do termo barreira de potencial.
2. Determine a dimensão da região de depleção de um díodo polarizado inversamente
com uma tensão de
Vr  5V . Assuma que N D  1017 e N A  1015 e VO  1V .
15
A e n  1, determine a tensão aos seus terminais e a
sua resistência incremental, para uma intensidade de corrente de 1mA .
3. Dado um díodo com I S  10
4. Indique justificando rigorosamente se no seguinte circuito o díodo se encontra na
zona de condução ou na zona de corte.
10k
10V
5. Assumindo que os díodos apresentam a tensão Vd=0.7V aos seus terminais quando em
condução e uma resistência incremental nula, complete a seguinte tabela.
V1
Vo
V2
10k
V1
V2
0V
0V
0V
5V
5V
0V
5V
5V
Vo
6. Indique qual é a capacidade de uma junção p-n, com Cjo=1 fF e m=1/2 e Vo=1V
polarizada inversamente com 5V.
III.
1.
Transístores de Junção Bipolar (TJBs)
Dado um transístor com ND=1017 e NA=1014, W  1m ,
LP  Ln  10m e assumindo
Dn b  Ln determine o valor de  do transístor. Sabendo que no colector ND=1015
determine o valor
valor de
?
 r . Como é que a concentração de impurezas do emissor afecta o
2. Assumindo que ambos os transístores estão a funcionar na zona activa e que o valor
da resistência é bastante elevado, determine qual é o valor de iO/iI no seguinte
circuito. Assuma que ambos os transístores têm   10.
Vdd
Io
R
Ii
3. Determine o valor de Ib, Ic e Vo no ponto de funcionamento em repouso do seguinte
circuito. Assuma   100 e Vdd=5V e Vbe=0.7V.
Vdd
4K
Vdd
10K
Vo
1K
4. Considere o seguinte circuito, em que o transístor tem
Vdd
  100 e Vdd = 10V.
Vdd
100K
C
Vo
AC
1M
1K
a) Determine o ponto de funcionamento em repouso, Ic e Vo. Assuma Vbe =
0.7V.
b) Represente o esquema de pequenos sinais do circuito. Não faça quaisquer
cálculos!
c) Determine o valor de gm, e
r no modelo.
d) Utilize o esquema de pequenos sinais para determinar o ganho de tensão
do circuito.
e) Utilize o esquema de pequenos sinais para determinar o ganho de
corrente do circuito.
f) Determine o valor da impedância de saída do circuito.
IV.
1.
Transístores de Efeito de Campo (MOSFETs)
Represente a estrutura física de um transístor MOSFET, com os quatro terminais
assinalados. Indique resumidamente qual o mecanismo pelo qual se forma o canal do
transístor.
2. Determine o ponto de funcionamento em repouso da seguinte montagem. Assuma que
Vt=1V e Kn W/L= 1mA/V2 e Vdd=5V.
Vdd
1K
1K
3. Considere o seguinte circuito referente a um inversor CMOS. Assuma Vt=1V, Vdd=5V
e Va=10V, Kn (W/L)N = Kp (W/L)P = 10 mA/V2.
Vdd
Vi
Vo
a) Represente o esquema de pequenos sinais do circuito. Não faça quaisquer
cálculos.
b) Se Vi=2.5V temos Vo=2.5V. Determine o valor de Id.
c) Determine os valores dos parâmetros do modelo de pequenos sinais gm e
ro do circuito, para Vi=2,5V.
d) Utilize o modelo de pequenos sinais para determinar o valor do ganho de
tensão do circuito para Vi=2.5V.
4. Qual é o valor da margem de ruído dum inversor CMOS para um processo com Vd=3V
e Vt=1V.
5. Um transístor MOS está a ser utilizado como interruptor analógico, num circuito
para o qual o sinal de entrada varia entre –1V e +1V. Indique quais são os valores da
tensão de controlo, Vc, que abrem e fecham o interruptor para todos os valores do
sinal de entrada. Assuma Vt=1.5V.
Vc
Vi
Vo
+
-1V a 1V
-Vee
Formulário:
Semicondutores
R 
E   V
J D   n q n   p q p E

n 300K   1350 cm 2V 1s 1 
J Dif  q.Dn


1
n qn   p q p
I  J .A
q  1.609  10-19 C 

D p  12 cm 2 / s
Dn  34 cm 2 / s



Eg
k .T
B  5.4 1031 K 3cm 6
n. p  ni2
 p 300K   480 cm 2V 1 s 1 
n
p
 q.D p
x
x
ni2  B.T 3 .e
l
A
k  8.62  10-5 eV  K 1


E g  1.12eV 

Díodo
 VVD

I D  I S    T  1




CJ 
VT 
CJ 0
 Vd
1 
 Vo



m
Wdep 
 S  11.7  8.85 10 14 F / cm
kT
q
T  300 K
2 S
q
 1
1 

VO  VR 

N
N
D 
 A
rd 
 25mV
Vt
Id
Transístor de Junção Bipolar
IC  IS  e
gm 
V BE
IC
VT
VT
IC  F I B


 1
re 
VT
VT
VA
, r 
, rO 
IC
IE
IB
 D N W 1 W2 

  1  P A


D
N
L
2
D

n b 
 N D p
Transístor de Efeito de Campo
k p   p Cox
k n   n Cox
I ds  k n
W
L
I ds 
Cox 
 ox
tox
1 2

 ( v gs  Vt )  v ds  v ds 
2


se
v ds  v gs  vt
(zona de tríodo)
kn W
  ( v gs  Vt ) 2
2 L
Se
v ds  v gs  vt
(zona saturação)
gm  k n
W
VGS  VT 
L
rO 
VA
ID