Aula 02 Eletronica e Mecanica Quantica

Lange du foyer / Le Triomhe du Surrealism Max Ernst

ELETRNICA E MECNICAQUNTICA

FSICA PARA ENGENHARIA ELTRICA

Near the end of this decade, when they beginenumerating the names of the people who had thegreatest impact on the 20th century, the name of JohnBardeen, who died last week, has to be near, orperhaps even arguably at, the top of the list... Mr. [sic]Bardeen shared two Nobel Prizes and won numerousother honors. But what greater honor can there bewhen each of us can look all around us andeverywhere see the reminders of a man whose geniushas made our lives longer, healthier and better. Editorial do Chicago Tribune em 03/02/1991.

Jos Fernando FragalliDepartamento de Fsica Udesc/Joinville

Fsica para Engenharia Eltrica Eletrnica e Mecnica Quntica

1. Introduo

3. A Era da Eletrnica

2. O Nascimento da Eletrnica

5. A Relao entre a Fsica do Estado Slido e a MecnicaQuntica

4. A Relao entre a Eletrnica e a Fsica do Estado Slido

a. A Vlvula Diodob. A Vlvula Triodo

a. O transistor

ELETRNICA E MECNICA QUNTICA


a) A Eletrnica estuda o comportamento macroscpicodos eltrons nos dispositivos.

1. INTRODUOEletrnica e o comportamento macroscpico dos eltrons

Podemos focar o estudo da eletrnica em vriosaspectos, dos quais destacaremos trs.



Descrio pictrica do movimento de eltrons em

um fio metlico

Orbital s Orbital p Orbital d

b) A Eletrnica estuda o comportamento microscpicodos eltrons nos dispositivos.

1. INTRODUOEletrnica e o comportamento microscpico dos eltrons



c) A Eletrnica estuda dispositivos de retificao,amplificao e chaveamento de sinais eltricos.

Diodos Transistores bipolaresTransistor MOSFET em

uma placa-me

1. INTRODUOEletrnica e os vrios dispositivos



a) Retificao de Meia-Onda.

1. INTRODUOCircuitos de retificao

Os circuitos de retificao podem ser de vrios tipos,como mostrados a seguir.



Circuito retificador de meia onda e respectiva transformao do sinal

eltrico

b) Retificao de Onda Completa.

1. INTRODUOMais circuitos de retificao



Circuito retificador de onda completa e

respectiva transformao do sinal eltrico

1. INTRODUOCircuitos de amplificao

Uma forma de fazer o transistor trabalhar como elementode amplificao com o emissor comum, como mostradoabaixo.



Transistor conectado a um sinal de entrada com emissor comum sada

1. INTRODUOMais circuitos de amplificao



Outra forma de fazer o transistor trabalhar comoelemento de amplificao com a base comum, comomostrado abaixo.

Transistor conectado a um sinal de entrada com base comum sada

Abaixo mostramos um tipo de circuito que chaveia osinal eltrico.

1. INTRODUOO circuito de chaveamento

Os transistores tambm podem ser usados em circuitosque chaveiam o sinal eltrico.



Um tpico circuito chaveador usando

transistor

A seguir, mostramos o sinal de sada aps o transistorchavear o sinal.

1. INTRODUOO sinal de sada chaveado



Sinal de sada j chaveado pelo transistor

A Mecnica Quntica a ferramenta terica que melhordescreve o comportamento microscpico dos eltrons.

Por conta disto, a Mecnica Quntica muito til noprojeto de novos dispositivos com propriedades inovadorase surpreendentes.

Desta forma, a Mecnica Quntica auxilia nodesenvolvimento por engenheiros e cientistas de uma sriede produtos e dispositivos largamente utilizados em nossosdias.

1. INTRODUOMecnica Quntica: por que importante na Eletrnica

Apresentamos a seguir alguns aspectos que destacam aimportncia da Mecnica Quntica para a Eletrnica.



Fotografia de um circuito integrado construdo no Brasil, nos laboratrios da

Escola Politcnica da USP em 1988

a) Microeletrnica: CIRCUITOSINTEGRADOS.

1. INTRODUOAplicaes da Mecnica Quntica na Eletrnica

A Eletrnica est to presente em nossas vidas que seriadesnecessrio destacar a sua importncia.

Ainda assim, ousamos apontar algumas de suasprincipais aplicaes.



b) Optoeletrnica: LASER DE DIODO.

1. INTRODUOMais aplicaes da Mecnica Quntica na Eletrnica



Constituio de um laser de diodo

Laser de Diodo

c) Novos materiais: NANOTECNOLOGIA.

1. INTRODUOAplicaes da Mecnica Quntica em Novos Materiais

Estruturas alotrpicas do carbono



1. Introduo






a. O transistor



A inveno da vlvula diodo se deve aJohn Ambrose Fleming (1847-1945).

2. O NASCIMENTO DA ELETRNICAO pai da Eletrnica

Podemos dizer que a Eletrnica nasceu em 1905 com ainveno da vlvula diodo.

Fleming foi aluno de James ClerkMaxwell quando este dava aulas dematemtica e eletricidade na CambridgeUniversity em 1877.

Fleming foi consultor cientfico deMarconi na rea de radiotelegrafia.John Fleming



Thomas EdisonDispositivo usado por Edison em 1883 para descobrir a Emisso termoinica

Durante este perodo, desenvolveu experimentos com oEfeito Edison (emisso termoinica), que o efeito bsicousado no desenvolvimento da vlvula.

2. O NASCIMENTO DA ELETRNICAO que fez Fleming?

De 1888 a 1891 trabalhou na Edson Electric LightCompany, empresa de Thomas Alva Edison (1847-1931).



Esquema de uma vlvula simples

Em 1905 Fleming patenteou a vlvula diodo.

2. O NASCIMENTO DA ELETRNICAA patente da vlvula diodo

A vlvula diodo desenvolvida por Fleming foi usada emrdios receptores e radares por muitas dcadas, at que elafosse sobrepujada pelos diodos e transistores de estadoslido, na dcada de 1950.



Primeiras vlvulas diodo construdas por Fleming

Vlvula diodo usada em um rdio receptor

1. Introduo






a. O transistor



A vlvula diodo composta de um filamento e uma placametlica dentro de um bulbo de vidro.

Muito do ar presente no bulbo bombeado para fora paraobter um vcuo parcial.

2. O NASCIMENTO DA ELETRNICAEsquema de construo da vlvula diodo



Constituintes bsicos de uma vlvula diodo

Exemplo de uma vlvula

comercial

a) Retificador: essencialmente converte um sinal AC emum sinal DC, como esquematizado abaixo.

2. O NASCIMENTO DA ELETRNICAAplicaes da vlvula diodo

A vlvula diodo usada em diversas aplicaes, s quaisdestacamos sua ao como retificador e como detector.



Exemplo de vlvulas

comerciais Vlvula atuando como retificador de sinal eltrico

b) Detector: neste caso, a vlvula obtm o sinal a partirde uma onda portadora modulada, como esquematizadoabaixo.

2. O NASCIMENTO DA ELETRNICAMais aplicaes da vlvula diodo



Vlvula atuando como detector de sinal eltrico transportado por uma

onda modulada

Na figura abaixo mostramos um tpico circuito deoperao onde vemos uma fonte (B), uma vlvula e umresistor de carga (RL).

2. O NASCIMENTO DA ELETRNICAPrincpio de operao da vlvula diodo

Este circuito faz com queuma corrente eltrica e umadiferena de potencial sejamselecionados para aoperao junto ao resistorde carga.



Princpio bsico de operao de uma vlvula diodo

I: corrente eltrica que circula pela vlvula

Curva caracterstica da vlvula diodo.

A vlvula diodo pode ser modelada unicamente comconceitos da eletrosttica.

2. O NASCIMENTO DA ELETRNICAModelo fsico de funcionamento da vlvula diodo

Modelar significa obter uma expressopara a curva caracterstica da vlvula I(V) apartir de primeiros princpios, isto , a partirdas leis bsicas da eletricidade.

( )VII =V: tenso de polarizao da vlvula

Modelo para uma vlvula diodo



A: rea de seo transversal dos eletrodos da vlvula

2. O NASCIMENTO DA ELETRNICACurva caracterstica ideal da vlvula diodo

Aplicamos a Equao de Poisson e o Princpio daConservao da Energia para obter a curva caractersticaI(V).

( ) 2/32/1

20 2

94 V

m

e

dAVI

e

=

d: distncia entre o ctodo e o nodo

( ) 2/3261032,2 VdAVI =

0 = 8,8510-12 C2/Nm2

e = 1,60210-19 C

me = 9,10910-31 C



Modelo para uma vlvula diodo

Vlvula Ideal

Vlvulas reais 5U4 e 1V2

2. O NASCIMENTO DA ELETRNICAModelo terico funcionamento prtico da vlvula diodo

Abaixo mostramos a curva caracterstica terica (esquerda) e curvas caractersticas de duas vlvulascomerciais.

5,1VI

0,245 VI U

1,121 VI V



1. Introduo






a. O transistor



Em 1906 Lee De Forest (1873-1961) obteve a patente deum dispositivo de dois eletrodos usado como detector deondas eletromagnticas.

2. O NASCIMENTO DA ELETRNICAO pai da vlvula triodo

Este dispositivo era uma variante da vlvuladiodo inventada por Fleming em 1904.

Lee De Forest

Em 1907 De Forest obteve a patente de umdispositivo de trs eletrodos, muito maissensvel na deteco de ondaseletromagnticas.

Este dispositivo tambm foi chamado devlvula de De Forest e desde 1919 conhecido por vlvula triodo.



A vlvula triodo obtida a partir da vlvula diodo, com aintroduo de uma grade colocada entre o ctodo e o nodo,como pode ser visto na figura abaixo.

2. O NASCIMENTO DA ELETRNICAEsquema de construo da vlvula triodo



Constituintes bsicos de uma vlvula triodo

A grade introduzida entre o ctodo e o nodo controla ofluxo de eltrons entre estes dois eletrodos.

2. O NASCIMENTO DA ELETRNICAFuncionamento da vlvula diodo

A corrente eltrica queflui pelo circuito varia deacordo com o valor datenso aplicada entre agrade e o nodo.

Existe um valor detenso eltrica acima daqual cessa o fluxo deeltrons atravs do circuito.



Funcionamento da vlvula triodo

Abaixo mostramos as curvas caractersticas de umavlvula triodo para vrios valores de tenso de gradeaplicados.

2. O NASCIMENTO DA ELETRNICACurvas caractersticas da vlvula triodo

Na mesma figura apresentada (em linha tracejada)a Lei de Child, que a curvaterica para a vlvula diodo.



Curvas caractersticas da vlvula triodo 6SN7 para vrias tenses

aplicadas placa

Abaixo apresentamos algumas desvantagens no uso devlvulas em circuitos eltricos.

a) o seu tamanho: a miniaturizao dos dispositivos ficacomprometida.

b) a sua fragilidade: o seuinvlucro feito de vidro.

c) o aquecimento emoperao: como ela trabalha emalta tenso, a dissipao deenergia na forma de calor grande.

2. O NASCIMENTO DA ELETRNICADesvantagens do uso das vlvulas



Exemplo de vlvulas triodos comerciais

d) a sua vida curta, se comparada ao do transistor.e) a sua fabricao mais dispendiosa do que a do

transistor, devido baixa escala de fabricao.

f) dificuldades tcnicas: as vlvulasapresentam alto rudo e instabilidade emalgumas faixas de frequncia,principalmente na regio de micro-ondas.

2. O NASCIMENTO DA ELETRNICAMais desvantagens do uso das vlvulas



Esquema interno de uma vlvula triodo

b) o transistor trabalha em uma faixa limitada depotncia, enquanto que a vlvula trabalha em potnciasdesde W at milhares de W.

c) vlvulas apresentam uma vantagem tcnica adicionalque o desempenho melhor em altas frequncias, secomparada com a de um transistor.

a) vlvulas so usadas em situaes onde sejamnecessrias maiores quantidades de potncia.

2. O NASCIMENTO DA ELETRNICAVantagens do uso das vlvulas

Abaixo apresentamos algumas vantagens no uso devlvulas em circuitos eltricos.



Guglielmo Marconi John Logie Baird

a) Projeto e desenvolvimento dos grandes sistemas decomunicao do Sculo XX, como o rdio (GuglielmoMarconi, em 1901) e TV (John Logie Baird, em 1926).

2. O NASCIMENTO DA ELETRNICAAgradecimentos s vlvulas

Mesmo com as limitaes comparadas com a ao dosatuais transistores, as vlvulas foram responsveis por umenorme avano tecnolgico, alguns deles apontados abaixo.



Exemplo de rdio

Exemplo de TV

O ENIAC, mostrado em operao ao lado, composto por 17.468 vlvulas e ocupava um galpo imenso. Processava

apenas 5.000 adies, 357 multiplicaes e 38 divises por segundo, bem menos at do que uma calculadora de bolso atual,

das mais simples

b) Projeto e desenvolvimento do primeiro computadoreletrnico (valvulado), o ENIAC ELECTRONIC NUMERICALINTEGRATOR AND CALCULATOR, em 1946.

2. O NASCIMENTO DA ELETRNICAMais agradecimentos s vlvulas



1. Introduo






a. O transistor



Antes da 2a Guerra Mundial a pesquisa em eletrnica seconcentrava no estudo de contatos retificadores paracircuitos de rdio-comunicao.

Esquema do Coesor de Branly

3. A ERA DA ELETRNICAAspectos histricos



At ento este tipo de contato era feito porum dispositivo conhecido como coesor deBranly.

O coesor de Branlyfunciona quando uma ondaeletromagntica ativa o estadocondutor de limalhas metlicas.Fotografia do

Coesor de Branly

John Bardeen Walter Brattain

Apesar de funcionar, o coesor de Branly apresentavainstabilidade, tal que procurou-se por um artefatotecnolgico que pudesse funcionar como radar.

O avano tecnolgico entre a 1a e a 2a Guerra Mundialprocurou por dispositivos estveis de estado slido.

3. A ERA DA ELETRNICAMais histria



Isto culminou com adescoberta do efeitotransistor em 1947 por JohnBardeen (1908-1991) e WalterHouser Brattain (1902-1987).

Primeiro transistor construdo por

Bardeen e Brattain

3. A ERA DA ELETRNICAO primeiro transistor



Esta descoberta foi o incio de uma nova era, tanto napesquisa em semicondutores como no desenvolvimentotecnolgico.

O primeiro transistor construdo por Bardeen e Brattainfoi feito apenas com um bloco de germnio (Ge) ligado porcontatos metlicos a fontes de tenso.

Esquema constitutivo do

primeiro transistor

3. A ERA DA ELETRNICAA contribuio essencial de Shockley



Em 1948 o transistor bipolar tomou a sua atualconfigurao a partir da contribuio de William BradfordSchockley (1910-1989).

Ao invs do bloco de Ge, Schockley usou o semicondutordopado com impurezas doadoras (tipo n) e aceitadoras (tipop), alm dos contatos metlicos e fontes de tenso.

William Schockley

Esquema constitutivo do

primeiro transistor

1. Introduo






a. O transistor



Efeito Transistor

1) Triodo semicondutor analogia vlvula triodoque apresentava a mesma caracterstica de amplificao.

2) Transistor transfer resistor (transferncia decorrente de um circuito a outro).

3) A descoberta do transistor ocorreu em Dezembro de1947, e no em Junho de 1948; a divulgao das pesquisasfoi retardada durante estes sete meses por problemasrelativos patente.

3. A ERA DA ELETRNICAELETRNICA E MECNICA QUNTICA


1) Repercusso no foi grandiosa no se discutia asubstituio das vlvulas pelos transistores.

2) Dispositivo construdo por Bardeen e Brattain problemas com a estabilidade e reprodutibilidade doscontatos eltricos.

3) Shockley (Bell Labs 1949) aperfeioou otransistor de contato de ponto utilizando materiaissemicondutores que apresentavam dopagem (impurezas).

3. A ERA DA ELETRNICAPrimeiras consequncias da inveno do transistor



a) Uma corrente eltrica de controle aplicada entre oemissor e a base.

3. A ERA DA ELETRNICAO funcionamento do transistor



b) Os eltrons so injetados na base atravs dajuno com o emissor (devido a Vbe).

3. A ERA DA ELETRNICAO papel da tenso entre o emissor e a base



c) Eltrons fluem atravs da juno com o coletorpara o circuito externo (devido a Vce).

3. A ERA DA ELETRNICAO papel da tenso entre o coletor e a base



d) Quando a voltagem na base varia, a correnteeltrica no circuito externo varia proporcionalmente.

3. A ERA DA ELETRNICAA ao transistor



1) Bardeen, Brattain e Shockley Prmio Nobel deFsica (1956) pela descoberta e aperfeioamento dotransistor.

John Bardeen Walter Brattain William Schockley

3. A ERA DA ELETRNICAOs inventores do transistor



2) Bardeen e Brattain continuaram seu trabalho napesquisa bsica da Fsica do Estado Slido na University ofIllinois (Urbana), IL USA.

3) Shockley voltou-se para a indstria, criando aempresa Shockley Semiconductor Company , queposteriormente deu origem Intel.

3. A ERA DA ELETRNICAO destino dos inventores do transistor



1. Introduo






a. O transistor



Antes do transistor, a eletrnica estava centrada navlvula, que um dispositivo vcuo.

Aps a inveno do transistor houve uma nfase nodesenvolvimento de dispositivos de Estado Slido.

Com isso, houve uma mudana no paradigma dodesenvolvimento cientfico e tecnolgico.

Aspectos histricos



4. A RELAO ENTRE A ELETRNICA E A FSICA DO ESTADO SLIDO

Antes do transistor 2a Guerra Mundial, BombaAtmica, Tecnologia Nuclear.

A Guerra Fria




Grande parte do financiamento pesquisa foidestinado compreenso da Fsica Nuclear....

A prevalncia da pesquisa em Fsica Nuclear




E construo de reatores nucleares...Usinas nucleares




Pensem nas crianas mudas telepticas Pensem nas meninas cegas inexatas, Pensem nas mulheres rotas alteradas,

Pensem nas feridas como rosas clidas, Mas no se esqueam da rosa da rosa, Da rosa de Hiroxima a rosa hereditria, A rosa radioativa estpida e invlida,

A rosa com cirrose a anti-rosa atmica, Sem cor nem perfume sem rosa sem nada.

Rosa de Hiroxima Vincius de Morais

E ..... ao desenvolvimento da bomba atmica GuerraFria.

Os problemas da energia nuclear




Aps o transistor revoluo da Eletrnica e datecnologia em Novos Materiais.

a) Materiais metlicos: ligas metlicas leves.b) Materiais cermicos: cermica de alto desempenho.c) Materiais polimricos: plsticos.d) Materiais compsitos.

A mudana de paradigma




a) Materiais Metlicos.

Os novos materiais metlicos




ALUMINA

b) Materiais Cermicos.

Os novos materiais cermicos




3) Materiais Polimricos.

Os novos materiais polimricos




4) Materiais Compsitos.

Os novos materiais compsitos




O que estes materiais tm em comum?1) Todos foram obtidos a partir de um melhor

conhecimento da estrutura dos TOMOS que os constituem.

2) Hegemonia da Fsica Atmica como base para aFsica do Estado Slido.

3) Necessidade de uma ferramenta terica para melhorcompreender o TOMO MECNICA QUNTICA.

A prevalncia da Fsica Atmica




1) Dcada de 1940 (1946) Inveno do TRANSISTOR.

O desenvolvimento tecnolgico nos anos 1940




Jack Kilby Robert Noyce

Fotografia do primeiro circuito

integrado (CI) fabricado pelas

Texas Instrument

Fotografia de um CI moderno.

2) Dcada de 1950 (1958, Jack Kilby e Robert Noyce,Texas Instrument) Miniaturizao (Circuitos Integrados).





Theodore Maiman

Componentes do primeiro laser de

rubi.

3) Dcada de 1960 Inveno do LASER (LASER deRUBI, por Theodore Maiman em 1960).





Robert Hall

Comparao entre o tamanho de um laser de diodo e

uma moeda de US$ 0,05.

Laser de diodo de alta potncia.

4) Dcada de 1960 Desenvolvimento do LASER DEDIODO (Robert Hall, 1962).





Uma pirmide nada faranica - Em crescimentopor epitaxia por feixes moleculares (MBE Molecular Beam Epitaxy), tomos de germnioauto-organizaram espontaneamente sobre umabase de silcio para formar essa nanopirmide.

5) Dcada de 1970 Desenvolvimento de novastecnologias de obteno de materiais eletrnicos.





6) Dcada de 1980 Desenvolvimento da fibra pticae a conseqente nova rea das telecomunicaes.





Engenharia na escala atmica - Em 1990,35 tomos de xennio foram arranjadossobre uma superfcie de nquel paracompor o logotipo da IBM. Commanipulao nessa escala, molculaspodem ser fabricadas, ou modificadas,tomo por tomo.

7) Dcada de 1990 Controle sobre os tomos(Engenharia Atmica).





Nanotubo de carbono - Folhas de arranjoshexagonais de tomos de carbono se enrolampara formar tubos longos, mas com dimetrotipicamente entre 1 e 2 nanmetros. Asextremidades, no mostradas na figura, socompostas de tomos em arranjo pentagonal.Essa surpreendente "macromolcula" umadas vedetes da Nanocincia & Nanotecnologia.

8) Dcada de 2000 Hegemonia da Nanocincia e daNanotecnologia.





9) Dcada de 2010 Quais sero os prximospassos?

?Novas fontes de energia, engenharia gentica,

novssimos materiais.....





1. Introduo






a. O transistor



Modelo atmico de Thomson (pudim

de passas).

Modelo atmico de Rutherford (modelo

planetrio).

TOMOS!!!!!!!!O que um TOMO????

Os tomos

5. A RELAO ENTRE A FSICA DO ESTADO SLIDO E A MECNICA QUNTICA



Modelo atmico de Bohr.

Modelo quntico (orbitais atmicos)

Orbital s. Orbital p.

TOMOS!!!!!!!!O que um TOMO????

Os modelos atmicos




1) GS quase nenhuma interao entre os tomos.

Vapor dgua.

tomos em estado gasoso




2) LQUIDO pouca interao entre os tomos.

gua lquida.

tomos em estado lquido




3) SLIDO grande interao entre os tomos.

gua slida (gelo).

tomos em estado slido




Como compreender os tomos para poder controlar assuas propriedades?

MECNICA QUNTICA nele!

Mecnica Quntica: qual o seu papel nisso tudoO papel da Mecnica Quntica no estudo da Fsica Atmic

tiH

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The angel of hearth and home Max Ernst

Aula 02 Eletronica e Mecanica Quantica

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