Electrónica I - Planificação aulas

As aulas funcionam em módulos de três e uma hora e meia semanais. A planificação das aulas teórico-práticas deve ser feita onsiderando a componente laboratorial da disciplina. O ideal é que os temas sejam apresentados na aula e, aí, consolidados através de aplicações numéricas e visualização de aplicações.

A tabela que se segue traduz uma proposta de distribuição semanal. É considerada apenas como um indicativo, e poderá sofrer alterações tendo em vista a população alvo (acompanhamento das aulas, grau de maturidade e especificidade dos alunos). Nela são agregadas semanas aos principais tópicos abordados. Para cada aula são apresentadas figuras ilustrativas dos assuntos abordados.

Distribuição semanal indicativa
Semanas 1-3	Física dos Semicondutores (3)
Semanas 4-7	Díodo de Junção p-n (3) Outros Dispositivos (1)
Semanas 8-11	Transístor de Junção Bipolar (2) Transístor de Efeito de Campo (2)
Semanas 12-13	Aplicações Especiais (2)
Semanas 14-15	Apresentações diversas, ajustes curriculares e discussão individual de trabalhos realizados (2)

Seguidamente apresenta-se a calendarização proposta e, para cada aula, indica-se o correspondente sumário. A consulta desta distribuição de tópicos permite preparar, relembrar ou consolidar os temas propostos. Como complemento, para cada aula, os alunos têm acesso a uma aplicação vocacionada.

A disciplina começa com uma primeira aula de apresentação (aula n.º1) na qual o docente descreve os objectivos da disciplina, sensibiliza os alunos para a importância da electrónica, apresenta o programa, explica o funcionamento da disciplina, indica a bibliografia e refere o método de avaliação. Nessa aula, é dada uma indicação do tipo de trabalhos que terão de realizar na disciplina, e seu peso relativo.

Pedagogicamente é considerada uma aula de extrema importância. Como o nome indica é uma aula de apresentação. É nela que o formando e formador se encontram pela primeira vez, e como sabemos a primeira impressão é fundamental para o relacionamento futuro entre ambos.

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A aula n.º2 é uma aula de revisão. Nela recordam-se noções de física atómica e de física do estado sólido. São relembrados os de estado de agregação da matéria e tipo de forças de interacção existentes. Referem-se diferentes tipos de cristais (iónicos, covalentes e metálicos). Faz-se uma introdução à física dos materiais semicondutores. São analisados diferentes materiais: condutores, semicondutores e isolantes e comparada a sua estrutura interna com as propriedades eléctricas e comportamento de alguns dispositivos já utilizados na disciplina precedente (resistências, condensadores, díodos, etc. ..).

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A aula n.º3 é uma iniciação á física dos semicondutores. Dá-se especial ênfase à análise da estrutura interna e tipo de ligações dos elementos do grupo IV. Explica-se o seu comportamento eléctrico através da introdução de modelos espaciais simples (modelo do enlace covalente) e introduz-se a noção de condutividade e fotocondutividade. São apresentados exemplos simples de aplicação destes materiais, como sensores de temperatura e de fluxo luminoso.

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A aula n.º4 introduz a noção de dopante e interpreta o seu efeito com base no modelo espacial do enlace covalente e modelo das bandas de energia. É introduzida a noção de semicondutor intrínseco e extrínseco, e analisada qualitativamente o efeito da dopagem e da agitação térmica nas propriedades eléctricas do material.

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A aula n.º5 introduz os alunos na análise qualitativa das propriedades de transporte dos materiais semicondutores. Interpretam-se estas propriedades, com base no modelo de bandas de energia. Define-se nível de Fermi e sua dependência com a temperatura e dopagem. Deduzem-se as equações de equilíbrio e de transporte nos semicondutores, determina-se a a condutividade, fotocondutividade, a resistência e as componentes de corrente (difusão e deriva). São resolvidos exercícios de aplicação numérica. É pedido aos alunos que realizem um simulador (trabalho n.º1), capaz de quantificar a distribuição de portadores de carga, condutividade, resistência e corrente uma vez conhecido o tipo de material, a temperatura, o grau de dopagem, e a tensão aos seus terminais.

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A aula n.º6 é uma aula de demonstração experimental (início do trabalho n.º 2) e de validação dos conhecimentos adquiridos (primeiro mini-teste). Os alunos são iniciados nos processos de fabrico de materiais semicondutores: Assistem, no laboratório de processamento de materiais e dispositivos, à deposição de uma película fina de silício amorfo hidrogenado (intrínseco e dopado) por PE-CVD. Recebem uma amostra de material semicondutor e posteriormente, no laboratório de optoelectrónica, determinam as suas propriedades optoelectrónicas (transmitância, condutividade, fotocondutividade e resistência).

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A aula n.º7 introduz os alunos na microelectrónica. Abordam-se os processos de fabrico de díodos de junção.

Analisam-se as características simplificadas de um junção p-n e o seu comportamento tendo por base o modelo das bandas de energia.

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A aula n.º8 ocupa-se da relação existente entre a corrente que percorre a junção e a tensão aplicada aos seus terminais, características I-V. É introduzida a noção de corrente de curto-circuito e tensão em circuito aberto. Analisa-se a dependência da corrente inversa de saturação com a temperatura e a dopagem. Introduz-se a noção de resistência dinâmica e de capacidade de transição e de difusão. São resolvidos problemas de aplicação numérica.

É pedido aos alunos que completem o programa de simulação anteriormente desenvolvido (trabalho n.º1) de forma a modelarem uma junção p-n, determinarem a concentração em portadores de carga de ambos os lados da junção, largura da região de deplecção e zonas de penetração de carga espacial, perfil de campo eléctrico e potencial de contacto. É também pedido que simulem, graficamente, as características I-V.

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A aula n.º9 é uma aula de demonstração experimental (trabalho n.º 2) Os alunos assistem à produção de um díodo de junção baseado em silício amorfo hidrogenado. Determinam as características corrente tensão, corrente inversa e sua dependência com a temperatura e irradiação.

Efectuam medidas de resposta espectral, eficiência de conversão, responsividade e é introduzida a noção de transdutor.

Na aula n.º10 é introduzido o conceito de díodo como elemento de um circuito. É feita a análise gráfica de circuitos com díodos e dada a noção de recta de carga, ponto de funcionamento estático e percurso de funcionamento. São resolvidos problemas de aplicação prática e pedido aos alunos que completem o programa de simulação introduzindo nele um circuito elementar (trabalho n.º1). O circuito contém o díodo anteriormente simulado, uma fonte de tensão (ac e/ou dc) e uma resistência variável. É pedido que façam a análise gráfica e determinem o ponto de funcionamento em repouso e/ou percurso de funcionamento.

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Na aula n.º11 considera-se o díodo como elemento de um circuito e analisa-se o seu comportamento com base em modelos eléctricos. São apresentados os modelos equivalentes estáticos e dinâmicos, e analisados circuitos simples com base nestes modelos. São estudados circuitos específicos com díodos e resolvidos problemas de aplicação numérica.

A aula n.º12 ocupa-se de aplicações específicas com díodos. Analisam-se circuitos rectificadores com e sem filtragem e circuitos limitadores, comparadores e reguladores. É feita uma abordagem à lógica de díodos (DL) e analisadas portas "OR" e "AND". São desenvolvidas aplicações numéricas. É proposta a realialização de um mini-projecto que inclua uma aplicação específica com díodos (trabalho n.º3).

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A aula n.º13 introduz os alunos na optoelectrónica e analisa diferentes dispositivos optoelectrónicos (LED’s, fotodíodos, sensores de cor e imagem). Analisa diferentes tipos de sensores ópticos baseados em díodos de junção de estrutura p-i-n e refere algumas das suas aplicações. São analisados circuitos SCR, TRIAC e díodos de quatro camadas.

Na aula n.º14 sintetizam-se os conhecimentos adquiridos e realiza-se o primeiro teste.

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A aula n.º15 introduz os alunos nos transístores de junção bipolar (BJT) e processos de fabrico. Apresenta-se a sua estrutura e descreve-se simplificadamente o princípio físico de funcionamento, modos de operação e tipos de montagens. São analisadas as componentes de corrente e tensão e estudado o comportamento do transístor com base no modelo de Ebers-Moll.

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Na aula n.º16 é dado ênfase aos modos de operação dos transístores, e analisadas as suas características nas diferentes montagens. São determinados os pontos de funcionamento em repouso. Apresentam-se circuitos típicos para polarização, resolvem-se problemas de aplicação numérica e efectua-se a análise computacional do ponto de funcionamento em repouso.

Na aula n.º17 é feita a análise de pequenos sinais de circuitos com TJB´s. É analisado o modelo incremental para baixas frequências(p -Híbrido). São resolvidos problemas de aplicação numérica.

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Na aula n.º18 estudam-se configurações básicas de amplificadores de um andar com TJB, nos diferentes tipos de montagem. Determinam-se ganhos de tensão, ganhos de corrente e impedâncias de entrada e de saída. São desenvolvidas aplicações numéricas e feita a análise computacional de amplificadores com um só andar. O transístor é analisado como inversor. É realizado um segundo mini-teste para aferição de conhecimentos.

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A aula n.º19 introduz os alunos nos transístores de efeito de campo (FET) e processos de fabrico. Apresenta-se a estrutura de cada um deles (JFET e MOSFET) e descreve-se, sucintamente, o princípio físico de funcionamento. Analisam-se as componentes de corrente e tensão e as características (I_D-V_DS e I_D-V_GS) dos diferentes tipos de FET´s (JFET, MISFET e MOSFET de enriquecimento e de deplecção).

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Na aula n.º20 estudam-se as zonas de funcionamento e são apresentados circuitos típicos de polarização do FET. É feita uma análise detalhada, dc, e analisado o comportamento como resistência controlada por tensão (VCR) e como comutador. São apresentadas aplicações numéricas e feita a análise computacional dos pontos de funcionamento em repouso.

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Na aula n.º 21 aborda-se o FET como amplificador. É feita a análise de pequenos sinais e apresentado analisado o modelo incremental (altas e baixas frequências). São resolvidos problemas de aplicação numérica. É proposta a continuação do mini-projecto inserindo nele transístores (TJB e FET)

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A aula n.º22 introduz a tecnologia CMOS, e abordam-se processos de fabrico de circuitos integrados monolíticos. Apresenta-se resumidamente a sistematização da tecnologia de circuitos integrados e suas implicações no projecto de circuito. Os alunos vão ao laboratório de processamento de materiais e dispositivos, e analisam as diferentes fases de fabrico de uma célula fotovoltaica ou de um sensor de imagem.

Estas duas semanas são usadas para ajustes curriculares e consolidação de conhecimentos. É realizado o segundo teste.
Os alunos assistem a palestras e seminários relacionados com a matéria leccionada e aprofundam vários temas.

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A aula n.º23 é uma aula de síntese em que se pretende motivar os alunos para a utilidade dos tópicos leccionados. Intitula-se "Optoelectrónica de materiais e dispositivos: sensores ópticos". Esta aula pretende que os alunos entendam os princípios básicos que regem os dispositivos optoelectrónicos. É objectivo fundamental introduzir os alunos no campo da optoelectrónica dos dispositivos semicondutores. Pretende-se motivá-los para o aprofundamento e pesquisa da optoelectrónica sensorial tão importante em domínios específicos da electrónica (robótica, sensores ópticos, células solares, etc.). Assim, como aplicação, será aliciante analisar sensores simples capazes de serem utilizados em ramos diferentes da electrónica.

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Na aula n.º24 pretende-se familiarizar os alunos com os sistemas produtivos e com as tecnologias associados à indústria da microelectrónica, visando a produção de dispositivos vocacionados. São referidas as tecnologias e processos de fabrico de circuitos integrados (processos de crescimento epitaxial, difusão de impurezas, implantação iónica, crescimento do óxido, fotolitografia, erosão química e metalização). Esta tecnologia de IC’s é comparada com a do silício amorfo, e referidas as capacidades e limitações de ambas, no projecto de circuitos. Em presença do equipamento de produção de dispositivos por PE-CVD existente no laboratório de processamento de materiais e dispositivos os alunos seguem as fases de deposição e metalização de um sensor de estrutura p-i-n e analisam as suas características fundamentais.

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A aula n.º25 pretende, de uma forma bastante simplificada, familiarizar os alunos com os circuitos integrados de aplicação específica (ASIC) e com as tecnologias associadas ao projecto de circuitos integrados. Introduz-se o projecto assistido por computador de circuitos digitais. São apresentadas ferramentas de apoio às várias fases do projecto: especificação do sistema a diferentes níveis de abstracção e domínios de representação. Referem-se circuitos integrados de aplicação específica: principais tecnologias e caracterização do fluxo de projecto. É feita uma breve abordagem aos aspectos económicos dos ASIC’s, e à sua importância na protecção ao investimento em projecto de hardware.

Nestas duas semanas são realizadas demonstrações experimentais e feita a simulação de circuitos específicos. Os trabalhos experimentais de montagem, teste e simulação são apresentados e discutidos individualmente.
Considerando as metas a atingir nestas últimas semanas torna-se difícil particularizar cada uma das aulas.

O ensino da prática da electrónica recorre, tradicionalmente, a aulas de laboratório com montagem de circuitos em placas de teste, e análise experimental do seu desempenho. Actualmente, e em complemento à formação experimental em laboratório foi introduzida uma nova vertente computacional no ensino da electrónica, a simulação. Esta poderosa ferramenta deverá ser tida em conta durante a execução dos trabalhos propostos. Compete aos alunos desenvolver todo o trabalho de experimentação e simulação, analisar e correlacionar os resultados obtidos, publicá-los em relatório e discuti-los com o docente e com os colegas.

Os trabalhos são geralmente elaborados em grupo, tipicamente de dois alunos, procurando-se tirar algumas valências do trabalho em equipa. Os trabalhos têm todos os mesmo peso na nota prática, que é calculada efectuando a média aritmética das classificações obtidas.
A componente prática da disciplina de Electrónica I compreende a realização de 3 trabalhos. Para permitir a análise prévia dos trabalhos os alunos deverão entregar um relatório em data acordada com o docente. Como se trata de alunos dos primeiros semestres (sem hábitos de escrita e sintetização) são aconselhadas, muitas vezes, alterações pontuais que enriquecem os relatórios e facilitam a discussão posterior.