Experiência 06 Resistores e Propriedades dos Semicondutores

Universidade Federal de Santa Catarina
Departamento de Engenharia Elétrica
Laboratório de Materiais Elétricos – EEL 7051
Professor Clóvis Antônio Petry
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Experiência 06
Resistores e Propriedades dos
Semicondutores
Fábio J. P. Bauer
Tiago Natan A. Veiga
Florianópolis, agosto de 2006.
Sumário
1. Objetivos ........................................................................................................ 2
2. Introdução ...................................................................................................... 3
3. Parte teórica ................................................................................................... 3
3.1 Resistência de Folha ................................................................................ 3
3.2 Efeito Hall ................................................................................................. 4
4. Parte prática ................................................................................................... 5
4.1 Descrição do Circuito Integrado................................................................ 5
4.2 Ensaio do laboratório ................................................................................ 7
4.2.1 Material utilizado ................................................................................ 7
4.2.2 Medida das resistências ..................................................................... 8
4.2.3 Efeito Hall ......................................................................................... 10
4.2.4 Efeito da Temperatura...................................................................... 10
5. Conclusão .......................................................Error! Bookmark not defined.
6. Referências .................................................................................................. 13
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1. Objetivos
► Apresentação de conceitos básicos acerca resistores integrados
(resistência de folha).
► Medir valores de resistência a partir de um circuito integrado projetado na
Universidade Federal de Santa Catarina.
► Compreensão e observação do efeito Hall e da influência da temperatura
na medida da resistência.
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2. Introdução
Este roteiro destina-se a ser o primeiro de uma série de experimentos a
serem realizados com um conjunto de circuitos integrados desenvolvidos por
um consórcio entre três empresas (Motorola, Compugraphics International e
Scottish Enterprise) e a Universidade de Edimburgo, Escócia. Os dispositivos
foram feitos utilizando o processo CMOS da Motorola, o qual também é usado
para produzir uma ampla gama de dispositivos comerciais, incluindo blocos
lógicos, muito empregados em eletrônica. São ao todo quatro chips, cada um
contendo dispositivos e aplicações didáticas distintas. O primeiro contém um
conjunto de resistores, o segundo possui transistores MOS, o terceiro é
composto de diodos de junção p-n e fotodiodos, e o quarto, de um circuito
oscilador em anel.
O CI em estudo nesse ensaio foi projetado pelo Laboratório de Circuitos
Integrados da UFSC com a finalidade de se facilitar a compreensão do
funcionamento de componentes integrados. É um CI de 40 pinos para fins
didáticos que apresenta em seu interior resistores e transistores MOS do tipo P
e do tipo N.
A seguir serão discutidos conceitos em relação a resistência de folha e o
efeito Hall. Os resultados obtidos no ensaio de laboratório para a medição das
resistências do CI e a comprovação o efeito Hall serão mostrados e analisados
em seguida.
3. Parte teórica
3.1 Resistência de Folha
O conceito de resistência pode ser entendido pela “dificuldade de
passagem de corrente elétrica” sob um elemento de um circuito. Em termos
das dimensões desse elemento a resistência é definida como:
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R
 .l  .l

A t.w
Onde:
R = resistência;
 = resistividade do material;
l = comprimento;
A = área do material;
t = espessura;
w = largura.
A resistência integrada é construída a partir da deposição de materiais
semicondutores e filmes metálicos no interior do circuito integrado. Assim
variando-se os parâmetros relacionados acima pode-se obter diferentes valores
de resistência. Altera-se na prática o valor da área já que se tem pouco
controle sobre a espessura. Assim, a razão  / t é constante e chamada de
resistência de folha.
3.2 Efeito Hall
O efeito Hall consiste num fenômeno de aparecimento de uma diferença
de potencial perpendicular à corrente elétrica que passa em uma placa feita de
material metálico ou semicondutor.
Como há corrente elétrica passando na placa, existem elétrons em
movimento. Se for aplicado um campo magnético perpendicularmente à placa,
há o surgimento de uma força magnética que tende a deslocar os elementos
portadores de carga (elétrons ou lacunas) para as extremidades da placa na
direção perpendicular à passagem da corrente. O acúmulo dessas cargas gera
uma diferença de potencial entre as extremidades. Essa d.d.p. é chamada de
potencial Hall. A figura a seguir ilustra esse fenômeno:
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Figura 1 – Efeito Hall
Fonte: http://www.if.ufrj.br/teaching/hall/hall.html
Observa-se na figura acima que há passagem de corrente I na direção
‘x’ e há a presença de uma indução magnética B na direção ‘z’. Os elementos
portadores de carga são então deslocados na direção ‘y’, fazendo com que
haja o aparecimento do potencial Hall VH.
4. Parte prática
Descrição do Circuito Integrado
O chip usado no ensaio foi produzido com a tecnologia AMIC5 0,5 µm
SCN3ME, contém 7 resistores feitos com diferentes dimensões e matérias,
para que o usuário possa comparar suas diferentes propriedades, bem como
fazer testes com associações série e paralelo. O chip também conta com 4
transistores CMOS do tipo N e 4 transistores CMOS do tipo P, estes que tem
por objetivo dar ao usuário um conhecimento básico sobre o funcionamento
dos transistores e mostrar como eles podem ser combinados para dar origem a
circuitos lógicos.
O layout interno do CI é mostrado a seguir:
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Figura 2 – Layout do circuito integrado
Fonte: http://www.inep.ufsc.br/~petry/Materiais_EEL_7051/Experiencia06.pdf
Esse CI possui 40 terminais com diferentes funções. A pinagem e a
descrição dos terminais referentes aos 7 resistores são mostrados na tabela 1:
Tabela 1 – Descrição do CI
Fonte: http://www.inep.ufsc.br/~petry/Materiais_EEL_7051/Experiencia06.pdf
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A tabela 2 mostra agora um detalhamento sobre as características dos
resistores internos ao CI:
Tabela 2 – Características dos resistores integrados
Fonte: http://www.inep.ufsc.br/~petry/Materiais_EEL_7051/Experiencia06.pdf
Podem-se ver os diferentes valores de resistência que se
obtém
variando-se as dimensões (área – W e L) e material (resistividade), como foi
visto na parte teórica.
Ensaio do laboratório
O ensaio de laboratório é dividido em 3 partes. A primeira é a verificação
dos diferentes valores de resistência do CI. A segunda parte é a
comprovação do efeito Hall por meio da medida do potencial Hall. Em
seguida será verificada a influência da temperatura no valor da resistência.
4.2.1 Material utilizado
►1 CI didático desenvolvido pelo Laboratório de Circuitos Integrados
da
UFSC.
► 1 Multímetro Minipa – ET 2020 A
► 1 lâmpada incandescente 220V/100W
► 2 resistores de 1kΩ
► 1 Fonte CC de 5V (bancada)
► 1 termômetro infravermelho com mira a laser
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4.2.2 Medida das resistências
Com a utilização do multímetro foram realizadas as medidas de
resistência
para os diferentes resistores internos ao chip, como mostra a
tabela 3:
Tabela 3 – Valores teóricos e valores medidos das resistências do CI
Os valores medidos de resistência encontram-se na última coluna da
tabela acima. Percebe-se que os valores se diferenciam consideravelmente do
nominal em alguns casos, porém os valores medidos não variam muito em
comparação aos mesmos valores de resistência, por exemplo, para o resistor
de 1k as medidas foram de 1,386k e 1,380k. A variação em relação ao valor
nominal é relativamente alto, porém se comparados entre si a variação é muito
menor. Isso se deve ao fato ao processo de fabricação que o CI é submetido.
Cálculo das resistências de folha:
Para o cálculo das resistências de folha usemos a relação R 

Isolando
, temos
t
Kn 
 .l  .l

.
A t.w
 R n .w

. Calculando-se K para os resistores R1
t
l
ao R7 do CI, primeiramente usando os valores nominais e posteriormente os
valores medidos chega-se:
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► Valores nominais:
K1 = 20,833; K2 = 20,833; K3 = 648,95; K4 = 20,752; K5 =(dimensões não
fornecidas) ; K6 = 769,23; K7 = 22,267;
► Valores medidos:
K1 = 28,875; K2 = 28,75; K3 = 701,42; K4 = 34,241 K5 =(dimensões não
fornecidas) ; K6 = 1051,54; K7 = 35,63;
Há uma diferença entre os valores nominais e os medidos de
resistência. Logo, há também uma diferença dos valores das resistências de
folha, já que foram calculadas a partir das resistências. Essa variação se deve
ao fato do processo de fabricação do CI. A precisão dos valores da resistência
é afetada pois se tem pouco controle sobre a espessura da camada de material
semicondutor depositado. Percebe-se assim uma variação considerável entre o
valor medido e o valor nominal, porém não há muita variação dos valores
medidos para um mesmo valor de resistência. Essa alteração é pequena pois a
fina camada de material é uniforme (t constante) – resistência de folha bem
próxima para o mesmo valor de resistência. Nota-se também que os valores de
resistência de folha devem ser o mesmo para o mesmo material (K1 = K2 = K4 =
K5 = K7 e K3 = K6 ) uma vez que só depende da resistividade do material,
sabendo que a espessura é constante. Isso também não ocorre com precisão
pois há erros de construção com relação às dimensões dos diferentes
resistores.
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4.2.3 Efeito Hall
Para a comprovação do efeito Hall foi montado o circuito a seguir:
Foi aplicada uma tensão entre os terminais 24 e 27 do CI. O
retângulo representa um resistor interno ao chip (R5). Entre os terminais
22 e 26 é medida o potencial Hall. Os valores medidos foram os
seguintes:
Tabela 4 – Comprovação do Efeito Hall
Quando a tensão aplicada é nula, não há elétrons em movimento e
conseqüentemente não há acúmulos de cargas nas extremidades,
sendo assim o potencial Hall nulo. Ao aplicarmos uma tensão à placa, os
elétrons entram em movimento e aparece a força magnética que faz com
que haja acúmulo de carga nas extremidades ‘horizontais’. Esse
acúmulo de cargas faz aparecer uma tensão de baixo valor – 0,3mVchamada de potencial Hall.
4.2.4 Efeito da Temperatura
A temperatura é um fator que altera consideravelmente o valor da
resistência elétrica. Associados ao aumento da temperatura encontram-se, em
geral, dois efeitos: o aumento da energia cinética dos elétrons, que eleva a
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densidade de elétrons livres disponíveis para suportar o fenômeno da
condução elétrica, e o aumento da agitação térmica dos átomos, que, pelo
contrário, reduz a mobilidade das cargas elétricas. No primeiro caso, como a
energia cinética dos elétrons é maior, há maior facilidade de se conduzir a
corrente elétrica, ou seja, a resistividade do material diminui. No segundo caso
a mobilidade das cargas elétricas diminui, dificultando a passagem de corrente
e assim aumentando o valor da resistividade do material. É a preponderância
de
um
ou
outro
destes
mecanismos
que
conduz
à
diferença
de
comportamentos manifestada pelos materiais. Para a verificação da variação
da resistência com a temperatura, uma lâmpada incandescente foi ligada
próxima ao chip para que houvesse aumento de temperatura. Com o auxilio do
multímetro a resistência entre os pinos 36 e 37 foi medida. A temperatura foi
mensurada com o auxílio do termômetro à mira laser. Os resultados obtidos
fora os seguintes:
Tabela 5 – Variação da resistência com a temperatura
Observando a tabela chega-se a conclusão que para o material do
resistor R4 – Polysilicon, o valor da resistência aumenta com a temperatura, ou
seja, a resistividade do material aumenta. Logo, nesse caso, o efeito dominante
nesse material é o segundo, ou seja, a agitação térmica das moléculas faz com
que haja maior dificuldade de movimentação das cargas elétricas. Nota-se
também que quanto maior a área do resistor maior será a quantidade de calor
absorvido e por conseqüência o efeito será mais acentuado.
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5. Conclusão
O presente trabalho mostrou a definição e descrição de resistência de
folha e efeito Hall através da análise de um circuito integrado didático
projetado na UFSC.
Medidas de diferentes valores de resistências foram feitas nesse CI.
Esses valores apresentaram erro em comparação aos valores nominais
devido ao processo de fabricação. Porém, esses valores não se distanciam
entre si para um mesmo valor de resistência.
Posteriormente o efeito Hall abordado na parte teórica foi comprovado
através da medição do potencial Hall em um resistor integrado em forma de
placa. Quando foi aplicada uma tensão nos terminais desse resistor, nas
extremidades laterais apareceu uma tensão, que é o potencial Hall, devido
ao “desvio” apresentado pelas cargas elétricas, que tendem ir para as
extremidades laterais do resistor.
Foi abordado também o efeito da temperatura sobre o valor da
resistência. Observou-se que quanto maior a temperatura, maior o valor da
resistência. Quando há o aquecimento do material, a agitação térmica das
moléculas aumenta, o que dificulta a passagem dos elétrons para a banda
de condução. Assim, a resistividade desse material aumenta, provocando o
aumento no valor da resistência.
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6. Referências
[1] PETRY, C.A. “Resistores e propriedades dos semicondutores”. Disponível
em .<www.inep.ufsc.br/~petry/>.
[2]
ESTIG:
“Efeitos
da
temperatura”.
Disponível
em:
<http://www.estig.ipbeja.pt/~lmgt/cee/misc/Sebenta_Online/cap_03/efeitos.htm>.
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