ELETRÔNICA E MECÂNICA QUÂNTICA

ELETRÔNICA E MECÂNICA QUÂNTICA
1. Introdução 2. O Nascimento da Eletrônica 3. A Era da Eletrônica 4. A Relação entre a Eletrônica e a Física do Estado Sólido 5. A Relação entre a Física do Estado Sólido e a Mecânica Quântica Física Geral VI - Eletrônica e Mecânica Quântica

1. INTRODUÇÃO Eletrônica a) Comportamento macroscópico dos elétrons nos dispositivos. Física Geral VI - Eletrônica e Mecânica Quântica

1. INTRODUÇÃO Eletrônica b) Comportamento microscópico dos elétrons nos dispositivos. Orbital s Orbital p Orbital d Física Geral VI - Eletrônica e Mecânica Quântica

1. INTRODUÇÃO Eletrônica c) Dispositivos de retificação, amplificação e chaveamento de sinais elétricos. Transistor MOSFET em uma placa-mãe. Transistores bipolares Diodos Física Geral VI - Eletrônica e Mecânica Quântica

1. INTRODUÇÃO Circuitos de Retificação a) Retificação de Meia-Onda. Física Geral VI - Eletrônica e Mecânica Quântica

1. INTRODUÇÃO Circuitos de Retificação b) Retificação de Onda Completa. Física Geral VI - Eletrônica e Mecânica Quântica

1. INTRODUÇÃO Circuitos de Amplificação a) Transistor com Emissor Comum. Física Geral VI - Eletrônica e Mecânica Quântica

1. INTRODUÇÃO Circuitos de Amplificação b) Transistor com Base Comum. Física Geral VI - Eletrônica e Mecânica Quântica

1. INTRODUÇÃO Circuito de Chaveamento a) Circuito. Física Geral VI - Eletrônica e Mecânica Quântica

1. INTRODUÇÃO Circuito de Chaveamento b) Sinal de Saída. Física Geral VI - Eletrônica e Mecânica Quântica

1. INTRODUÇÃO Mecânica Quântica a) ferramenta teórica para este tratamento microscópico; b) modelo microscópico da Natureza; c) projeto de novos dispositivos com propriedades inovadoras e surpreendentes; d) desenvolvimento por engenheiros e cientistas de uma série de produtos e dispositivos largamente utilizados em nossos dias. Física Geral VI - Eletrônica e Mecânica Quântica

1. INTRODUÇÃO Aplicações a) Micro-eletrônica: CIRCUITOS INTEGRADOS. Fotografia de um circuito integrado construído no Brasil, nos laboratórios da Escola Politécnica da USP em 1988. Física Geral VI - Eletrônica e Mecânica Quântica

1. INTRODUÇÃO Aplicações b) Opto-eletrônica: LASER DE DIODO. Física Geral VI - Eletrônica e Mecânica Quântica

1. INTRODUÇÃO Aplicações c) Novos materiais: NANOTECNOLOGIA. Física Geral VI - Eletrônica e Mecânica Quântica

2. O NASCIMENTO DA ELETRÔNICA John Ambrose Fleming ( ): Física Geral VI - Eletrônica e Mecânica Quântica

2. O NASCIMENTO DA ELETRÔNICA John Ambrose Fleming Experimentos com o Efeito Edison (emissão termoiônica) ainda no século XIX. Emissão termoiônica, descoberta por Edison em 1883. Thomas Alva Edison ( ) Física Geral VI - Eletrônica e Mecânica Quântica

2. O NASCIMENTO DA ELETRÔNICA John Ambrose Fleming Em 1905 Fleming patenteou a válvula diodo. Física Geral VI - Eletrônica e Mecânica Quântica

2. O NASCIMENTO DA ELETRÔNICA Esquema de uma Válvula Diodo Filamento e uma placa metálica dentro de um bulbo de vidro, com muito do ar bombeado para fora para obter um vácuo parcial. Física Geral VI - Eletrônica e Mecânica Quântica

2. O NASCIMENTO DA ELETRÔNICA Válvula Diodo Retificador  converte um sinal AC em um sinal DC. Física Geral VI - Eletrônica e Mecânica Quântica

2. O NASCIMENTO DA ELETRÔNICA Válvula Diodo Detector  obtém sinal a partir de uma onda portadora modulada. Física Geral VI - Eletrônica e Mecânica Quântica

2. O NASCIMENTO DA ELETRÔNICA Válvula Diodo Circuito de operação com fonte + válvula diodo. Física Geral VI - Eletrônica e Mecânica Quântica

2. O NASCIMENTO DA ELETRÔNICA Válvula Diodo Modelo físico de funcionamento. Curva característica da válvula diodo. I: corrente elétrica que circula pela válvula Vp : tensão de polarização da válvula. Física Geral VI - Eletrônica e Mecânica Quântica

2. O NASCIMENTO DA ELETRÔNICA Válvula Diodo Aplica-se a Lei de Gauss numa superfície gaussiana que envolve o cátodo e um ponto a uma distância x dele.  Teorema de Gauss  0 = 8,8510-12 C2/Nm2: permissividade elétrica do vácuo q: quantidade de carga : densidade de carga Física Geral VI - Eletrônica e Mecânica Quântica

2. O NASCIMENTO DA ELETRÔNICA Válvula Diodo Utiliza-se a definição de potencial eletrostático V.   Física Geral VI - Eletrônica e Mecânica Quântica

2. O NASCIMENTO DA ELETRÔNICA Válvula Diodo Considera-se o movimento dos elétrons como ocorrendo em apenas uma dimensão (direção x).  Física Geral VI - Eletrônica e Mecânica Quântica

2. O NASCIMENTO DA ELETRÔNICA Válvula Diodo Considera-se que os elétrons tenham carga elementar e = -1,610-19 C.  n: concentração de elétrons (número de elétrons por unidade de volume). Física Geral VI - Eletrônica e Mecânica Quântica

ELETRÔNICA E MECÂNICA QUÂNTICA v: velocidade dos elétrons.
2. O NASCIMENTO DA ELETRÔNICA Válvula Diodo Expressa-se a concentração de elétrons em termos da densidade de corrente J.  J: densidade de corrente de elétrons (corrente elétrica por unidade de área). J é constante, depende apenas do material do qual é feito o filamento e da temperatura à qual ele é submetido. v: velocidade dos elétrons. Física Geral VI - Eletrônica e Mecânica Quântica

2. O NASCIMENTO DA ELETRÔNICA Válvula Diodo Utiliza-se o Princípio da Conservação da Energia para determinar a velocidade no ponto x. K: energia cinética dos elétrons U: energia potencial dos elétrons.  me = 9,110-31 kg : massa do elétron Física Geral VI - Eletrônica e Mecânica Quântica

2. O NASCIMENTO DA ELETRÔNICA Válvula Diodo Obtém-se uma equação diferencial que rege o movimento dos elétrons na válvula. Física Geral VI - Eletrônica e Mecânica Quântica

2. O NASCIMENTO DA ELETRÔNICA Válvula Diodo Propõe-se a seguinte solução para V(x):  B e b: constantes a serem determinadas. Caso B e b existam, a solução proposta acima é ÚNICA (Teorema da Unicidade). Física Geral VI - Eletrônica e Mecânica Quântica

2. O NASCIMENTO DA ELETRÔNICA Válvula Diodo Determinação de b. Física Geral VI - Eletrônica e Mecânica Quântica

2. O NASCIMENTO DA ELETRÔNICA Válvula Diodo Determinação de B.  Física Geral VI - Eletrônica e Mecânica Quântica

2. O NASCIMENTO DA ELETRÔNICA Válvula Diodo Expressão final para V(x):  d: distância entre o cátodo e o ânodo Vp: tensão de polarização da válvula Física Geral VI - Eletrônica e Mecânica Quântica

2. O NASCIMENTO DA ELETRÔNICA Válvula Diodo Curva característica da válvula diodo: d: distância entre o cátodo e o ânodo A: área de seção transversal dos eletrodos da válvula Física Geral VI - Eletrônica e Mecânica Quântica

2. O NASCIMENTO DA ELETRÔNICA Válvulas reais 5U4 e 1V2 Válvula Ideal Física Geral VI - Eletrônica e Mecânica Quântica

2. O NASCIMENTO DA ELETRÔNICA Lee DeForest ( ) Desenvolveu a válvula triodo em 1906. Física Geral VI - Eletrônica e Mecânica Quântica

2. O NASCIMENTO DA ELETRÔNICA Válvula Triodo Introdução de uma grade à válvula diodo, colocada entre o cátodo e o ânodo. Física Geral VI - Eletrônica e Mecânica Quântica

2. O NASCIMENTO DA ELETRÔNICA Válvula Triodo Funcionamento da válvula triodo. Física Geral VI - Eletrônica e Mecânica Quântica

2. O NASCIMENTO DA ELETRÔNICA Válvula Triodo Curvas características. Física Geral VI - Eletrônica e Mecânica Quântica

2. O NASCIMENTO DA ELETRÔNICA Válvulas Desvantagens: 1) O seu tamanho  a miniaturização dos dispositivos fica comprometida. 2) A sua fragilidade  seu invólucro é feito de vidro. 3) Aquecimento em operação. Física Geral VI - Eletrônica e Mecânica Quântica

2. O NASCIMENTO DA ELETRÔNICA Válvulas Desvantagens: 4) A vida curta, se comparada ao transistor. 5) A sua fabricação dispendiosa (baixa escala). 6) Dificuldades técnicas  alto ruído e instabilidade em algumas faixas de freqüência (microondas). Física Geral VI - Eletrônica e Mecânica Quântica

2. O NASCIMENTO DA ELETRÔNICA Válvulas Vantagens: 1) Uso em situações onde sejam necessárias maiores quantidades de potência. 2) O transistor trabalha em uma faixa limitada de potência, enquanto que a válvula trabalha em potências desde W até milhares de W. 3) Vantagem técnica adicional  desempenho é melhor em altas freqüências, se comparada com a de um transistor. Física Geral VI - Eletrônica e Mecânica Quântica

2. O NASCIMENTO DA ELETRÔNICA Válvulas Agradecimentos: 1) Projeto e desenvolvimento dos grandes sistemas de comunicação do século XX  rádio (Guglielmo Marconi, em 1901) e TV (John Logie Baird, em 1926). Física Geral VI - Eletrônica e Mecânica Quântica Guglielmo Marconi John Logie Baird

2. O NASCIMENTO DA ELETRÔNICA Válvulas Agradecimentos: Projeto e desenvolvimento do primeiro computador eletrônico (valvulado)  ENIAC – ELECTRONIC NUMERICAL INTEGRATOR AND CALCULATOR, em 1946). Composto por válvulas, ocupava um galpão imenso. Processava apenas adições, 357 multiplicações e 38 divisões por segundo, bem menos até do que uma calculadora de bolso atual, das mais simples. Física Geral VI - Eletrônica e Mecânica Quântica

3. A ERA DA ELETRÔNICA Aspectos Históricos Antes da 2a Guerra Mundial  estudo de contatos retificadores para circuitos de rádio-comunicação. Coesor de Branly Física Geral VI - Eletrônica e Mecânica Quântica

3. A ERA DA ELETRÔNICA Aspectos Históricos Descoberta do efeito transistor em 1948 por John Bardeen ( ) e Walter Brattain ( ). Início de uma nova era, tanto na pesquisa em semicondutores como no desenvolvimento tecnológico. Walter Brattain John Bardeen Física Geral VI - Eletrônica e Mecânica Quântica

3. A ERA DA ELETRÔNICA Transistor Primeiro transistor utilizado por Bardeen e Brattain. Física Geral VI - Eletrônica e Mecânica Quântica

3. A ERA DA ELETRÔNICA Transistor Configuração atual do transistor bipolar: contribuição de William Schockley ( ). William Schockley Física Geral VI - Eletrônica e Mecânica Quântica

3. A ERA DA ELETRÔNICA Efeito Transistor 1) “Triodo semicondutor”  analogia à válvula triodo que apresentava a mesma característica de amplificação. 2) Transistor  transfer resistor (transferência de corrente de um circuito a outro). 3) A descoberta do transistor ocorreu em Dezembro de 1947, e não em Junho de 1948; a divulgação das pesquisas foi retardada durante estes sete meses por problemas relativos à patente. Física Geral VI - Eletrônica e Mecânica Quântica

3. A ERA DA ELETRÔNICA Conseqüências 1) Repercussão não foi grandiosa  não se discutia a substituição das válvulas pelos transistores. 2) Dispositivo construído por Bardeen e Brattain  problemas com a estabilidade e reprodutibilidade dos contatos elétricos. 3) Shockley (Bell Labs )  aperfeiçoou o transistor de contato de ponto utilizando materiais semicondutores que apresentavam dopagem (impurezas). Física Geral VI - Eletrônica e Mecânica Quântica

3. A ERA DA ELETRÔNICA O Funcionamento do Transistor a) Uma corrente elétrica de controle é aplicada entre o emissor e a base. Física Geral VI - Eletrônica e Mecânica Quântica

3. A ERA DA ELETRÔNICA O Funcionamento do Transistor b) Os elétrons são injetados na base através da junção com o emissor (devido a Vbe). Física Geral VI - Eletrônica e Mecânica Quântica

3. A ERA DA ELETRÔNICA O Funcionamento do Transistor c) Elétrons fluem através da junção com o coletor para o circuito externo (devido a Vce). Física Geral VI - Eletrônica e Mecânica Quântica

3. A ERA DA ELETRÔNICA O Funcionamento do Transistor d) Quando a voltagem na base varia, a corrente elétrica no circuito externo varia proporcionalmente. Física Geral VI - Eletrônica e Mecânica Quântica

3. A ERA DA ELETRÔNICA Transistor, e a vida segue.... 1) Bardeen, Brattain e Shockley  Prêmio Nobel de Física (1956) pela descoberta e aperfeiçoamento do transistor. 2) Bardeen e Brattain continuaram seu trabalho na pesquisa básica da Física do Estado Sólido. 3) Shockley voltou-se para a indústria, criando a empresa Shockley Semiconductor Company, que posteriormente deu origem à Intel. Física Geral VI - Eletrônica e Mecânica Quântica

4. A RELAÇÃO ENTRE A ELETRÔNICA E A FÍSICA DO ESTADO SÓLIDO Aspectos Históricos 1) Antes do transistor, a eletrônica estava centrada na válvula, que é um dispositivo à vácuo. 2) Após a invenção do transistor houve uma ênfase no desenvolvimento de dispositivos de Estado Sólido. 3) Com isso, houve uma mudança no paradigma do desenvolvimento científico e tecnológico. Física Geral VI - Eletrônica e Mecânica Quântica

4. A RELAÇÃO ENTRE A ELETRÔNICA E A FÍSICA DO ESTADO SÓLIDO Aspectos Históricos Antes do transistor  2a Guerra Mundial  Bomba Atômica  Tecnologia Nuclear. Física Geral VI - Eletrônica e Mecânica Quântica

4. A RELAÇÃO ENTRE A ELETRÔNICA E A FÍSICA DO ESTADO SÓLIDO Aspectos Históricos Grande parte do financiamento à pesquisa foi destinado à compreensão da Física Nuclear.... Física Geral VI - Eletrônica e Mecânica Quântica

4. A RELAÇÃO ENTRE A ELETRÔNICA E A FÍSICA DO ESTADO SÓLIDO Aspectos Históricos E à construção de reatores nucleares... Física Geral VI - Eletrônica e Mecânica Quântica

4. A RELAÇÃO ENTRE A ELETRÔNICA E A FÍSICA DO ESTADO SÓLIDO Aspectos Históricos E ao desenvolvimento da bomba atômica  Guerra Fria. Pensem nas crianças mudas telepáticas Pensem nas meninas cegas inexatas, Pensem nas mulheres rotas alteradas, Pensem nas feridas como rosas cálidas, Mas não se esqueçam da rosa da rosa, Da rosa de Hiroxima a rosa hereditária, A rosa radioativa estúpida e inválida, A rosa com cirrose a anti-rosa atômica, Sem cor nem perfume sem rosa sem nada. Rosa de Hiroxima Vinícius de Morais Física Geral VI - Eletrônica e Mecânica Quântica

4. A RELAÇÃO ENTRE A ELETRÔNICA E A FÍSICA DO ESTADO SÓLIDO Aspectos Históricos Após o transistor  revolução da Eletrônica  tecnologia em Novos Materiais. a) Materiais metálicos: ligas metálicas leves. b) Materiais cerâmicos: cerâmica de alto desempenho. c) Materiais poliméricos: plásticos. d) Materiais compósitos. Física Geral VI - Eletrônica e Mecânica Quântica

4. A RELAÇÃO ENTRE A ELETRÔNICA E A FÍSICA DO ESTADO SÓLIDO Aspectos Históricos 1) Materiais Metálicos. Física Geral VI - Eletrônica e Mecânica Quântica

4. A RELAÇÃO ENTRE A ELETRÔNICA E A FÍSICA DO ESTADO SÓLIDO Aspectos Históricos 2) Materiais Cerâmicos. Física Geral VI - Eletrônica e Mecânica Quântica

4. A RELAÇÃO ENTRE A ELETRÔNICA E A FÍSICA DO ESTADO SÓLIDO Aspectos Históricos 3) Materiais Poliméricos. Física Geral VI - Eletrônica e Mecânica Quântica

4. A RELAÇÃO ENTRE A ELETRÔNICA E A FÍSICA DO ESTADO SÓLIDO Aspectos Históricos 4) Materiais Compósitos. Física Geral VI - Eletrônica e Mecânica Quântica

4. A RELAÇÃO ENTRE A ELETRÔNICA E A FÍSICA DO ESTADO SÓLIDO O que estes materiais têm em comum? 1) Todos foram obtidos a partir de um melhor conhecimento da estrutura dos ÁTOMOS que os constituem. 2) Hegemonia da Física Atômica como base para a Física do Estado Sólido. 3) Necessidade de uma ferramenta teórica para melhor compreender o ÁTOMO  MECÂNICA QUÂNTICA. Física Geral VI - Eletrônica e Mecânica Quântica

4. A RELAÇÃO ENTRE A ELETRÔNICA E A FÍSICA DO ESTADO SÓLIDO Evolução Histórica 1) Década de 1940 (1946)  Invenção do TRANSISTOR. Física Geral VI - Eletrônica e Mecânica Quântica

ELETRÔNICA E MECÂNICA QUÂNTICA Fotografia de um CI moderno.
4. A RELAÇÃO ENTRE A ELETRÔNICA E A FÍSICA DO ESTADO SÓLIDO Evolução Histórica 2) Década de 1950 (1958, Jack Kilby e Robert Noyce, Texas Instrument)  Miniaturização (Circuitos Integrados). Fotografia de um CI moderno. Fotografia do primeiro circuito integrado (CI) fabricado pelas Texas Instrument Jack Kilby Robert Noyce Física Geral VI - Eletrônica e Mecânica Quântica

4. A RELAÇÃO ENTRE A ELETRÔNICA E A FÍSICA DO ESTADO SÓLIDO Evolução Histórica 3) Década de 1960  Invenção do LASER (LASER de RUBI, por Theodore Maiman em 1960). Esquema de funcionamento de um laser de rubi. Theodore Maiman Física Geral VI - Eletrônica e Mecânica Quântica

ELETRÔNICA E MECÂNICA QUÂNTICA Laser de diodo de alta potência.
4. A RELAÇÃO ENTRE A ELETRÔNICA E A FÍSICA DO ESTADO SÓLIDO Evolução Histórica 4) Década de 1960  Desenvolvimento do LASER DE DIODO (Robert Hall, 1962). Comparação entre o tamanho de um laser de diodo e uma moeda de US$ 0,05. Laser de diodo de alta potência. Robert Hall Física Geral VI - Eletrônica e Mecânica Quântica

4. A RELAÇÃO ENTRE A ELETRÔNICA E A FÍSICA DO ESTADO SÓLIDO Aspectos Históricos 5) Década de 1970  Desenvolvimento de novas tecnologias de obtenção de materiais eletrônicos. Uma pirâmide nada faraônica - Em crescimento por epitaxia por feixes moleculares (MBE – Molecular Beam Epitaxy), átomos de germânio auto-organizaram espontaneamente sobre uma base de silício para formar essa nanopirâmide. Física Geral VI - Eletrônica e Mecânica Quântica

4. A RELAÇÃO ENTRE A ELETRÔNICA E A FÍSICA DO ESTADO SÓLIDO Aspectos Históricos 6) Década de 1980  Desenvolvimento da fibra óptica e a conseqüente nova área das telecomunicações. Física Geral VI - Eletrônica e Mecânica Quântica

4. A RELAÇÃO ENTRE A ELETRÔNICA E A FÍSICA DO ESTADO SÓLIDO Aspectos Históricos 7) Década de 1990  Controle sobre os átomos (Engenharia Atômica). Engenharia na escala atômica - Em 1990, 35 átomos de xenônio foram arranjados sobre uma superfície de níquel para compor o logotipo da IBM. Com manipulação nessa escala, moléculas podem ser fabricadas, ou modificadas, átomo por átomo. Física Geral VI - Eletrônica e Mecânica Quântica

4. A RELAÇÃO ENTRE A ELETRÔNICA E A FÍSICA DO ESTADO SÓLIDO Aspectos Históricos 8) Década de 2000  Hegemonia da Nanociência e da Nanotecnologia. Nanotubo de carbono - Folhas de arranjos hexagonais de átomos de carbono se enrolam para formar tubos longos, mas com diâmetro tipicamente entre 1 e 2 nanômetros. As extremidades, não mostradas na figura, são compostas de átomos em arranjo pentagonal. Essa surpreendente "macromolécula" é uma das vedetes da Nanociência & Nanotecnologia. Física Geral VI - Eletrônica e Mecânica Quântica

5. A RELAÇÃO ENTRE A FÍSICA DO ESTADO SÓLIDO E A MECÂNICA QUÂNTICA De que são feitas as coisas? ÁTOMOS!!!!!!!! O que é um ÁTOMO???? Modelo atômico de Thomson (pudim de passas). Modelo atômico de Rutherford (modelo planetário). Física Geral VI - Eletrônica e Mecânica Quântica

ELETRÔNICA E MECÂNICA QUÂNTICA Modelo quântico (orbitais atômicos)
5. A RELAÇÃO ENTRE A FÍSICA DO ESTADO SÓLIDO E A MECÂNICA QUÂNTICA De que são feitas as coisas? ÁTOMOS!!!!!!!! O que é um ÁTOMO???? Orbital s. Orbital p. Modelo quântico (orbitais atômicos) Modelo atômico de Bohr. Física Geral VI - Eletrônica e Mecânica Quântica

5. A RELAÇÃO ENTRE A FÍSICA DO ESTADO SÓLIDO E A MECÂNICA QUÂNTICA Como os ÁTOMOS estão organizados? 1) GÁS  quase nenhuma interação entre os átomos. Vapor d’água. Física Geral VI - Eletrônica e Mecânica Quântica

5. A RELAÇÃO ENTRE A FÍSICA DO ESTADO SÓLIDO E A MECÂNICA QUÂNTICA Como os ÁTOMOS estão organizados? 2) LÍQUIDO  pouca interação entre os átomos. Água líquida. Física Geral VI - Eletrônica e Mecânica Quântica

5. A RELAÇÃO ENTRE A FÍSICA DO ESTADO SÓLIDO E A MECÂNICA QUÂNTICA Como os ÁTOMOS estão organizados? 3) SÓLIDO  grande interação entre os átomos. Água sólida (gelo). Física Geral VI - Eletrônica e Mecânica Quântica

ELETRÔNICA E MECÂNICA QUÂNTICA MECÂNICA QUÂNTICA nele!
4. A RELAÇÃO ENTRE A FÍSICA DO ESTADO SÓLIDO E A MECÂNICA QUÂNTICA Como compreender os átomos para poder controlar as suas propriedades? MECÂNICA QUÂNTICA nele! Física Geral VI - Eletrônica e Mecânica Quântica

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