Física dos Semicondutores
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ET74C – Eletrônica 1
Física dos Semicondutores
Prof. Dr. Ulisses Chemin Netto ([email protected]) 26 de Agosto de 2015
ET74C – Eletrônica 1
Objetivo da Aula
Conhecer as características gerais dos materiaissemicondutores, compreender a condução decorrente usando a teoria de elétrons e lacunas,conhecer os materiais do tipo n e p.
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Conteúdo Programático
Modelo Atômico de Bohr;
O conceito de níveis de energia;
Ligação covalente;
Estrutura cristalina;
Semicondutores intrínsecos e extrínsecos.3
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Construção de Conhecimento esperado
Adquirir conhecimentos sobre as característicasfundamentais dos semicondutores aplicados aconstrução de dispositivos eletrônicos.
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Estrutura Atômica
Modelo Atômico de Bohr
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• Elétrons orbitam o núcleo;• Órbitas bem definidas.
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Estrutura Atômica
Modelo Atômico de Bohr
– O átomo apresenta apenas níveis discretos de energia(quantização);
– A energia de um elétron pode mudar (salto quântico):• Nível mais elevado → absorve energia;• Nível mais baixo → emite energia;• h=constante de Planck (J.s).
– Tentativa de representar os elétrons tanto em termosda sua posição quanto em relação a sua energia.
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𝒇𝒇 =𝑾𝑾𝟐𝟐 −𝑾𝑾𝟏𝟏
𝒉𝒉
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Estrutura Atômica
Nível de Energia
– Quanto maior a distância de um elétron em relaçãoao núcleo, maior o estado de energia, e qualquerelétron que tenha deixado seu átomo de origemtem um estado de energia mais alto do quequalquer outro elétron na estrutura atômica.
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Estrutura Atômica
Níveis de energia
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Elétron livre (referência)
Estados permitidospara o átomo dehidrogênio de Bohr(isolado).
Intervalo (GAP)
1eV = 1,60x10-19 J
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Estrutura Atômica
Modelo Atômico de Bohr x Modelo Mecânico-ondulatório.
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Modelo de Bohr Modelo Mecânico-Ondulatório
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Estrutura Atômica
Níveis de Energia:
– O que ocorre com os níveis de energia quando oátomo não está isolado, como por exemplo, emuma estrutura cristalina?
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Bandas de Energia
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Diferentes níveis de energia.
Semicondutor
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Materiais Semicondutores
Os principais semicondutores utilizados para construção de dispositivos eletrônicos são:– O Germânio (Ge) - Natural;– O Silício (Si) - Natural;– O Arseneto de Gálio (GaAs) - Sintético.
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Materiais Semicondutores
Estrutura Atômica - GaAs
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Materiais Semicondutores
Estrutura Atômica – Ge e Si
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Camada de Valência
Na quarta camada
Na Terceira camada
O que isso significa?
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Bandas de Energia
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Implicações:
– Cada material semicondutor possui um Eg diferente• Germânio – Eg = 0,67eV• Silício – Eg = 1,1 eV• Arseneto de Gálio – Eg = 1,43eV
– Essa diferença em Eg representa a sensibilidade decada tipo de semicondutor às variações detemperatura.
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Bandas de Energia
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Implicações:
– Por exemplo, à medida que a temperatura de umaamostra de germânio aumenta, o número deelétrons que podem absorver energia térmica eentrar na banda de condução vai aumentar muitorapidamente, devido a Eg ser muito pequena. Para oSilício e o Arseneto de Gálio seria muito menor.
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Materiais Semicondutores
Germanita e Germânio
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Cu26Fe4Ge4S32
Germânio purificado
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Materiais Semicondutores
Germânio:
– Muito utilizado na fabricação de diodos etransistores logo após seu surgimento (década de1940);
– Processo de fabricação bem conhecido (refino paraobter alta pureza - > 99%);
– Baixa confiabilidade, devido a sua sensibilidade avariações de temperatura.
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Materiais Semicondutores
Silício
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Quartzo (SiO2)
Abundante e encontrado em várias formas na natureza, como rocha eareia. Contudo, o quartzo é a preferencial para aplicações emeletrônica.
Silício purificado
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Materiais Semicondutores
Silício:
– Material abundante – menor preocupação quanto adisponibilidade;
– Processo de fabricação inicialmente mais complexo,porém, com o tempo tornou-se o material preferidoda indústria de semicondutores;
– Menos suscetível a variações de temperatura.
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Materiais Semicondutores
Arseneto de Gálio:
– Processo de fabricação inicialmente (década de1970) mais complexo do que aquele aplicado ao Si;
– Maiores velocidades de atuação obtidas com essematerial.
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Estrutura Cristalina
Quando os átomos de silício ou germânio secombinam para formar um sólido, eles sãoarranjados segundo um padrão ordenadochamado cristal;
Cada átomo de silício, por exemplo, partilha umelétron com seu vizinho (Ligação Covalente)
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Estrutura Cristalina
Ligação Covalente
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Ligação Covalente
Camada de Valência
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Ligação Covalente – Exemplo Si Planificado
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Diagrama de lattice
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Materiais Semicondutores
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Ligação Covalente – Exemplo GaAs Planificado
Diagrama de lattice
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Estrutura Cristalina – Idéia Geral
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Estrutura Cristalina Célula unitária
Átomos representados como esferas sólidas
Exemplo para estrutura cúbica de corpo centrado (CCC)
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Estrutura Cristalina
Monocristalino – formato regular dos grãos(uma única orientação); Policristalino – formato irregular dos grãos
(várias orientações cristalográficas)
27policristalinoMonocristalino
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Materiais Semicondutores
O Ge e o Si – possuem estrutura cristalinasingular, ou seja, um único tipo de átomopresente;
O GaAs – Estrutura cristalina composta, ou seja,dois ou mais elementos semicondutores comestruturas atômicas distintas.
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Estrutura Cristalina
Germânio e Silício
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Estrutura Cristalina
GaAs
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Ga
As
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Semicondutor Intrínseco
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O termo intrínseco aplica-se a qualquermaterial semicondutor que tenha sidocuidadosamente refinado para reduzir onúmero de impurezas a um nível muito baixoobtido com a tecnologia moderna.
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Semicondutor Intrínseco
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Estrutura de bandas para o semicondutor
Banda de ConduçãoVazia
Eg < 2eV
Banda de ValênciaPreenchida
Energia
0°K
Nesta condição o semicondutorse comporta como um isolante
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Semicondutor Intrínseco
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Excitação do Elétron – Causas comuns:
– Energia térmica ( variação na Temperatura);– Energia Luminosa (fótons);– Diferença de potencial.
Implicação?
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Semicondutor Intrínseco
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EnergiaElétron Livre
Lacuna na Banda de Valência
Excitação doElétron
Estrutura de bandas para o semicondutor
> 0°K
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Semicondutor Intrínseco
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Elétrons Livres e lacunas – visão planificada
Lacuna
Elétron LivreElétron de Valência
Ligação CovalenteRompida
Ligação Covalente Átomos desilício
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Lacunas - mecanismo para condução decorrente que não envolve elétrons livres.
Campo elétrico
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Semicondutor Intrínseco
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Lacunas
– Se comportam como uma carga positiva, igual emmagnitude à carga do elétron (+1,6x10-19 C);
– Pode-se considerar, portanto, que as lacunas sãoentidades físicas cujo movimento constitui umacorrente elétrica.
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Semicondutor Intrínseco
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Recombinação
– Em um material intrínseco o número de elétrons livres elacunas criados pela energia térmica é igual;
– Os elétrons livres e as lacunas se movimentam de formarandômica através da estrutura cristalina;
– Ocasionalmente um elétron livre ao se aproximar deuma lacuna é atraído e capturado por ela. A essa uniãode um elétron livre com uma lacuna se dá o nome deRECOMBINAÇÃO.
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Concentração de Lacunas e elétrons livres
– Concentração de lacunas = p;– Concentração de elétrons livres = n;
• No equilíbrio térmico:
• ni = representa a concentração de elétrons livres ou lacunasem um material intrínseco a uma dada temperatura.
𝑛𝑛 = 𝑝𝑝 = 𝑛𝑛𝑖𝑖
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B – parâmetro dependente do material; 5,4x1031 paraSi;
EG – 1,12 eV para Si; k – constante de Boltzmann – 8,62x10-5 eV/K; T – temperatura em ° Kelvin.
𝑛𝑛𝑖𝑖2 = 𝐵𝐵𝑇𝑇3𝑒𝑒−𝐸𝐸𝐺𝐺/𝑘𝑘𝑘𝑘
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Semicondutor Intrínseco
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Quantidade de Portadores
Semicondutor Portadores Instrínsecos (cm3)
GaAs 1,7x106
Si 1,5x1010
Ge 2,5x1013
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Semicondutor Intrínseco
Mobilidade
– É a capacidade dos portadores se moverem por todo o material semicondutor.
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Semicondutor Portadores Instrínsecos (cm2/V.s)
Si 1500
Ge 3900
GaAs 8500
Implicação de µ - Tempos de resposta menores
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Semicondutor Intrínseco
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Tempo de vida
– O tempo entre a geração de um par elétron livre –lacuna e seu desaparecimento é chamado de tempode vida;
– Sua ordem de grandeza se encontra entre algunsnanossegundos até vários microssegundos.
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Semicondutor Intrínseco
Velocidade de deriva
– A deriva é um mecanismo para explicar omovimento dos elétrons livres – lacunas. A derivaocorre quando um campo elétrico é aplicado aosemicondutor. Os portadores são acelerados pelocampo elétrico e adquirem um componente develocidade média (sobreposto à velocidade de seumovimento térmico)
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Semicondutor Intrínseco
Velocidade de deriva (cm/s)
– E – campo elétrico, em V/cm;– µi – mobilidade dos elétrons e lacunas, em cm2/V.s;
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𝑣𝑣𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑖𝑖𝑑𝑑𝑑𝑑 = 𝜇𝜇𝑖𝑖𝐸𝐸
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Semicondutor Intrínseco
Densidade total de corrente de deriva :
– E – campo elétrico, em V/cm;– µi – mobilidade dos elétrons e lacunas;– p – Densidade de lacunas;– n – Densidade de Elétrons;– q - Carga do elétron (1,6x10-19C)
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𝐽𝐽𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑖𝑖𝑑𝑑𝑑𝑑 = 𝑞𝑞 𝑝𝑝𝜇𝜇𝑝𝑝 + 𝑛𝑛𝜇𝜇𝑛𝑛 𝐸𝐸
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Semicondutor Intrínseco
Condutividade
– n – número de elétrons livres;– p – número de lacunas;– Módulo da carga elétrica do elétron (1,6x10-19C);– µp - mobilidade das lacunas;– µn - mobilidade dos elétrons.
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𝜎𝜎 = 𝑛𝑛 𝑒𝑒 𝜇𝜇𝑛𝑛 + 𝑝𝑝 𝑒𝑒 𝜇𝜇𝑝𝑝
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Semicondutor Extrínseco
Dopagem
– Adição de “impurezas” ao semicondutor intrínseco;
– O objetivo da dopagem consiste em modificar ascaracterísticas elétricas do semicondutor;
– Em geral trata-se da condutividade;• Alta dopagem → Baixa resistência;• Baixa dopagem → Alta resistência.
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Semicondutor Extrínseco
Dopagem
– A proporção de impurezas utilizadas no processo dedopagem é da ordem de uma parte em 10 milhões;
– Os principais materiais utilizados no processo dedopagem são chamados de materiais do tipo n e dotipo p.
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Semicondutor Extrínseco
Material do tipo n
– Formado pela adição de um número pré-determinado de átomos de impureza a uma base desilício, por exemplo;
– Obtido pela adição de impurezas pentavalentes(cinco elétrons na camada de valência);
– Em geral Antimônio (Sb), Arsênio (As) e Fósforo (P).
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Semicondutor Extrínseco
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Material do tipo n – Adição de Sb
Impureza do tipo doadora
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Semicondutor Extrínseco
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Estrutura das bandas de energia – tipo n
Eg consideravelmente menor emrelação aos semicondutoresintrínsecos.
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Semicondutor Extrínseco
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Estrutura das bandas de energia
– Para o germânio 0,01 eV;
– Para o silício 0,05 eV.
– À temperatura ambiente existe um grande númerode portadores majoritários na banda de condução,portanto, a condutividade do material aumenta.
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Semicondutor Extrínseco
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Material do tipo n
– Os elétrons são conhecidos como portadoresmajoritários;
– As lacunas são conhecidas como portadoresminoritários, pois, o processo de dopagem commaterial do tipo n não gera lacunas;
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Semicondutor Extrínseco
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Material do tipo n
– O número de lacunas no material diminui emrelação ao semicondutor intrínseco pois, o grandenúmero de elétrons aumenta a taxa derecombinação no material dopado do tipo n.
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Material do tipo n - Representação esquemáticados portadores.
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Semicondutor Extrínseco
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Concentração de elétrons e lacunas no material dotipo n
– nno – Concentração de elétrons livres;– ND - Concentração de átomos doadores;– pno - Concentração de lacunas.
𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛 ≃ 𝑁𝑁𝐷𝐷𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝑝𝑝𝑛𝑛𝑛𝑛 = 𝑛𝑛𝑖𝑖
2
𝑝𝑝𝑛𝑛𝑛𝑛 ≃𝑛𝑛𝑖𝑖
2
𝑁𝑁𝐷𝐷
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Semicondutor Extrínseco
Material do tipo p
– Formado pela adição de um número pré-determinado de átomos de impureza a uma base desilício, por exemplo;
– Obtido pela adição de impurezas trivalentes (trêselétrons na camada de valência);
– Em geral Boro (B), Gálio (Ga) e Índio (I).
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Semicondutor Extrínseco
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Material do tipo p – Adição de Sb
Impureza do tipo receptora
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Estrutura das bandas de energia – tipo p
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Semicondutor Extrínseco
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Estrutura das bandas de energia
– O número de elétrons livres no material diminui emrelação ao semicondutor intrínseco devido aogrande número de lacunas geradas.
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Semicondutor Extrínseco
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Material do tipo p – Representaçãoesquemática dos portadores.
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Concentração de elétrons e lacunas no material dotipo p
– npo – Concentração de elétrons livres;– NA - Concentração de átomos aceitadores;– ppo - Concentração de lacunas.
𝑝𝑝𝑝𝑝𝑛𝑛 ≃ 𝑁𝑁𝐴𝐴𝑛𝑛𝑝𝑝𝑛𝑛𝑝𝑝𝑝𝑝𝑛𝑛 = 𝑛𝑛𝑖𝑖
2
𝑛𝑛𝑝𝑝𝑛𝑛 ≃𝑛𝑛𝑖𝑖
2
𝑁𝑁𝐴𝐴
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Dispositivos Eletrônicos
Os materiais do tipo n e p representam osblocos de construção básicos dos dispositivossemicondutores.
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Referências Utilizadas BOYLESTAD, Robert L.; NASHELSKY, Louis. Dispositivos eletrônicos e teoria
de circuitos. 11. ed. São Paulo: Pearson education do Brasil, 2013.
SEDRA, Adel S.; SMITH, Kenneth C.. Microeletrônica. 5ed. São Paulo: PearsonPrentice Hall, 2007.
MILLMAN, Jacob; HALKIAS, Christos C. Eletrônica: dispositivos e circuitos.2.ed. São Paulo: McGraw-Hill, 1981 2v.
MALVINO, Albert Paul. Eletrônica. 4. ed. São Paulo: Makron, c1997. 2v.
CALLISTER Jr., William D.; Ciência e Engenharia de Materiais: Umaintrodução. 5ed. Rio de Janeiro: Editora LTC, 2002.
Floyd, Thomas L.; Electronic Devices (Conventional Flow Version). 7th
Edition. Prentice-Hall, Inc., USA, 2004.
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Obrigado pela Atenção!Prof. Dr. Ulisses Chemin Netto – [email protected]
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