UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação Felipe Henrique de Souza da Fonseca Antenas reconfiguráveis por dispositivos semicondutores fotossensíveis Campinas 2019
UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS Faculdade de Engenharia Elétrica
e de Computação
Felipe Henrique de Souza da Fonseca
Antenas reconfiguráveis por dispositivos semicondutores
fotossensíveis
Campinas 2019
UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS Faculdade de Engenharia Elétrica
e de Computação
Felipe Henrique de Souza da Fonseca
Antenas reconfiguráveis por dispositivos semicondutores
fotossensíveis
Dissertação apresentada à Faculdade de Enge- nharia Elétrica e de
Computação da Univer- sidade Estadual de Campinas como parte dos
requisitos exigidos para a obtenção do título de Mestre em
Engenharia Elétrica, na Área de Eletrônica, Microeletrônica e
Optoeletrônica.
Orientador: Prof. Dr. Roberto Lacerda de Orio
Co-orientador Prof. Dr. Leandro Tiago Manera
Este exemplar corresponde à versão final da dissertação defendida
pelo aluno Felipe Henrique de Souza da Fonseca, e orientada pelo
Prof. Dr. Roberto Lacerda de Orio
Campinas 2019
Agência(s) de fomento e nº(s) de processo(s): CNPq, 134830/2016-4;
CNPq
Ficha catalográfica Universidade Estadual de Campinas
Biblioteca da Área de Engenharia e Arquitetura Rose Meire da Silva
- CRB 8/5974
Fonseca, Felipe Henrique de Souza da, 1991- F733a FonAntenas
reconfiguráveis por dispositivos semicondutores fotossensíveis
/
Felipe Henrique de Souza da Fonseca. – Campinas, SP : [s.n.],
2019.
FonOrientador: Roberto Lacerda de Orio. FonCoorientador: Leandro
Tiago Manera. FonDissertação (mestrado) – Universidade Estadual de
Campinas, Faculdade
de Engenharia Elétrica e de Computação.
Fon1. Antenas. 2. Dispositivos semicondutores. I. Orio, Roberto
Lacerda de,
1981-. II. Manera, Leandro Tiago, 1977-. III. Universidade Estadual
de Campinas. Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação. IV.
Título.
Informações para Biblioteca Digital
Powered by TCPDF (www.tcpdf.org)
Candidato: Felipe Henrique de Souza da Fonseca RA: 102202
Data da Defesa: 30 de janeiro de 2019
Título da Dissertação: Antenas reconfiguráveis por dispositivos
semicondutores fotossensíveis.
Prof. Dr. Leandro Tiago Manera (FEEC/UNICAMP)
Prof. Dr. José Alexandre Diniz (FEEC/UNICAMP)
Prof. Dr. Marco Aurélio Cazarotto Gomes (CECS/UFABC)
A ata de defesa, com as respectivas assinaturas dos membros da
Comissão Julgadora, encontra-
se no SIGA (Sistema de Fluxo de Dissertação/Tese) e na Secretaria
de Pós-Graduação da
Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação.
Dedico esta dissertação aos meus pais e a minha família.
Agradecimentos
Gostaria de agradecer primeiramente aos meus pais Diomar de Souza e
Hélio Salvi da Fonseca e aos meus irmãos que sempre me apoiaram e
são a base para eu ter chegado até aqui. Ao Prof. Dr. José
Alexandre Diniz pelas ótimas aulas e conselhos ao projeto. Agradeço
ao técnico Alexandre Kume que me auxiliou nas medidas experimentais
no Laboratório de Soluções Eletrônica e RF (LSERF). Também gostaria
de agradecer ao Prof. Dr. Leandro Tiago Manera e ao Prof. Dr.
Roberto Lacerda de Orio que me motivaram e me deram uma ótima
oportunidade na realização do trabalho. Por último gostaria de
agradecer ao apoio do Conselho Nacional de Desenvolvimento
Científico e Tecnológico (CNPq) pelo suporte financeiro e incentivo
à pesquisa.
“Somos quem podemos ser Sonhos que podemos ter”
(Humberto Gessinger)
Resumo No presente trabalho foram projetadas três antenas
opticamente reconfiguráveis para apli- cações sem fio e
investigados três possíveis chaves fotocondutoras baseadas em
dispositivos de silício. A tecnologia de antenas reconfiguráveis é
baseada na habilidade dessas antenas irradiarem em diferentes
frequências ou polarização de acordo com o estado de comutação
requerido. Para cada estado de reconfiguração há uma redistribuição
das correntes em sua estrutura, o que modifica suas propriedades de
irradiação. A tecnologia tem recebido atenção nos últimos anos, uma
vez que uma única antena pode trabalhar em frequências multibanda e
alterar a dinâmica de suas características de transmissão e
recepção conforme a necessidade de uso.
Este trabalho possui o desafio de implementar mudanças nos
elementos radiantes, conforme haja mudança nos estados dos
elementos de comutação. A reconfiguração das antenas é feita por
chaves ópticas implementadas com dispositivos fotocondutores de
silício. As chaves possuem dois estados de comutação, ligado e
desligado conforme expostas ou não a luz de um laser. Foram
projetados dois tipos de fotorresistores (fotoresistor horizontal e
vertical) e um fotodiodo. O estudo das chaves foi baseado em
simulações numéricas. O fotorresistor vertical tem a maior variação
de resistência correspondendo a 51,8 vezes entre o estado desligado
e ligado na faixa de frequência de 5 GHz, sendo assim a melhor
escolha como um interruptor óptico. Além disso, foi também
analisado qual comprimento de onda melhor corresponderia ao
projeto. Foram verificados 4 diferentes comprimentos de onda
baseando- se em lasers comerciais, sendo = 808 nm o melhor
comprimento de onda a ser usado no projeto. O fotorresistor
horizontal foi fabricado e caracterizado.
Foram projetadas, simuladas e fabricadas uma antena dipolo, uma
antena em forma de E e uma antena com fenda em formato de E.
Simulações e testes experimentais demonstram que a antena em forma
de E opera a 5,7 GHz quando a chave não está iluminada, obtendo a
perda de retorno de -17 dB. A antena muda sua frequência para 2,0
GHz quando exposta a luz do laser, obtendo a perda de retorno nessa
frequência de -23,9 dB. A antena com a fenda em formato de E foi
projetada de forma a corresponder às exigências da banda ISM
(Industrial Sientific and Medical), que define que o sistema deve
operar a 2,45 GHz ou a 5,8 GHz. Com essa antena foi possível que o
sistema operasse em 5,8 GHz com a perda de retorno de -15,8 dB.
Quando chaveada para operar em 2,45 GHz, a perda de retorno obtida
é de -16 dB. Portanto, a antena com fenda em formato de E satisfez
exigências da banda ISM.
Palavras-chaves: Fotorresistor; Dispositivo Semicondutor
Fotossensível; Antenas Reconfi- guráveis.
Abstract In the present work, three optically reconfigurable
antennas were designed for wireless applica- tions and three
possible photoconductive switches based on silicon devices were
investigated. Reconfigurable antenna technology is based on the
ability of these antennas to radiate at different frequencies or
polarization according to the required switching state. For each
state of reconfiguration there is a redistribution of the currents
in its structure, which modifies its irradiation properties. The
technology has received attention in recent years since a single
antenna can work on multiband frequencies and change the dynamics
of its transmission and reception characteristics as needed.
This work has the challenge of implementing changes in the radiant
elements, according there is a change in the states of the
switching elements. The reconfiguration of the antennas is done by
optical switches implemented with silicon photoconductive devices.
The switches have two switching states, on and off depending on
whether or not a laser light is exposed. Two types of
photoresistors (horizontal and vertical photoresist) and one
photodiode were designed. The switches study was based on numerical
simulations. The vertical photoresistor has the greatest resistance
variation corresponding to 51.8 times between the off and on state
in the 5 GHz frequency band, thus being the best choice as an
optical switch. In addition, it was also analyzed which wavelength
would best correspond to the design. Four different wavelengths
were verified based on commercial lasers, with = 808 nm being the
best wavelength to be used in the design. The horizontal
photoresistor was manufactured and characterized.
A dipole antenna, an E-shaped antenna, and an E.-slotted antenna
were designed, simulated and manufactured. Simulations and
experimental tests demonstrate that the E-shaped an- tenna operates
at 5.7 GHz when the switch is not illuminated, obtaining the return
loss of -17 dB. The antenna changes its frequency to 2.0 GHz when
exposed to laser light, obtaining the return loss at that frequency
of -23.9 dB. The antenna with the E-slot was designed to meet the
requirements of the ISM band (Industrial Scientific and Medical),
which defines that the system should operate at 2.45 GHz or 5.8
GHz. With this antenna it was possible for the system to operate at
5.8 GHz with the return loss of -15.8 dB. When switched to operate
at 2.45 GHz, the return loss obtained is -16 dB. Therefore, the
E-shaped slotted antenna met ISM band requirements.
Keywords: Photoresistor; Photosensitive Semiconductor Device;
Reconfigurable Antennas.
Lista de ilustrações
Figura 1 – Exemplos de diferentes modelos de antenas (BALANIS,
2012). . . . . . . 16 Figura 2 – Frequência de operação de uma
antena. (a) Banda única, (b) banda dupla
(BALANIS, 2012). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . 17 Figura 3 – (a) Antena dipolo, (b) dipolo
reconfigurável. . . . . . . . . . . . . . . . . 18 Figura 4 –
Modelo da antena reconfigurável. Para cada região sensibilizada
pelo sinal
de RF na trilha da antena há uma frequência de operação. As
mudanças nas áreas sensibilizadas são dependentes do estado do
dispositivo, ou seja, desligado ou ligado. . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
Figura 5 – Modelo esquemático das formas de reconfiguração das
antenas baseados em (CHRISTODOULOU et al., 2012). . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . 21
Figura 6 – Trabalhos usando antenas opticamente reconfiguráveis.
(a) (TAWK et al., 2010), (b) (ARISMAR et al., 2013). . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . 23
Figura 7 – (a) Átomo de silício e suas ligações, (b) ligações
covalentes interatômicas, (c) produção de um elétron, (d) produção
de uma lacuna. (RAZAVI, 2008) 26
Figura 8 – (a) Dopagem tipo n, (b) Dopagem tipo p. (RAZAVI, 2008) .
. . . . . . . 27 Figura 9 – Processo de difusão de portadores
devido ao gradiente de concentração
(RAZAVI, 2008). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . 28 Figura 10 – Processo de deriva de lacunas devido ao
campo elétrico E (SZE; NG, 2006). 29 Figura 11 – Junção PN no
silício (RAZAVI, 2008). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
Figura 12 – (a) Junção PN fora do equilíbrio, (b) após difusão de
alguns portadores,
(c) após estabelecido o equilíbrio termodinâmico e formado a região
de depleção (RAZAVI, 2008). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . 30
Figura 13 – Diodo polarizado diretamente (RAZAVI, 2008). . . . . .
. . . . . . . . . 31 Figura 14 – Diodo polarizado reversamente
(RAZAVI, 2008). . . . . . . . . . . . . . 32 Figura 15 – Curva
característica do diodo pn. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . 32 Figura 16 – Exemplo de dispositivos fotocondutores (SZE; NG,
2006). . . . . . . . . 33 Figura 17 – Processo de fotogeração de
portadores em um diagrama de bandas de um
dispositivo intrínseco e extrínseco (SZE; NG, 2006). . . . . . . .
. . . . . 34 Figura 18 – Propagação de um ciclo da onda na antena
dipolo. . . . . . . . . . . . . 38 Figura 19 – Exemplo e padrão de
radiação. (a) Antena omnidirecional, (b) Antena
direcional. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . 41 Figura 20 – Largura do Feixe. (BALANIS, 2012) . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
Figura 21 – Terminais de referencia, a antena e a representação das
perdas. (BALANIS, 2012) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . 43
Figura 22 – Diagrama das etapas do projeto. . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . 46 Figura 23 – Modelo esquemático dimensões e
materiais. (a) fotorresistor horizontal,
(b) fotorresistor vertical. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . 48 Figura 24 – Modelo esquemático dimensões e
materiais. (a) fotodiodo, (b) região de
implantação iônica de fósforo. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . 49 Figura 25 – Curva exemplo de um fotodiodo recebendo
ou não luz. . . . . . . . . . . 50 Figura 26 – Modelo da
capacitância em paralelo com a resistência do dispositivo
semi-
condutor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . 51 Figura 27 – Lâminas de silício tipo n e tipo p com
seus respectivos chanfros para iden-
tificação (SWART, 2008). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . 52 Figura 28 – Dopagem da lâmina em função da
resistividade (THURBER, 1981). . . . 53 Figura 29 – Padrão
projetado a ser gravado nas lâminas para definição dos contatos. 53
Figura 30 – Processo de construção da máscara para gravação do
padrão na lâmina. . 54 Figura 31 – Antena dipolo e as indicações
dos materiais. . . . . . . . . . . . . . . . . 57 Figura 32 –
Detalhes do corte na folha metálica e posicionamento do
dispositivo. (a)
Sem o dispositivo (b) Com o dispositivo. . . . . . . . . . . . . .
. . . . . 58 Figura 33 – Modelo da chave ideal simulada no HFSS. .
. . . . . . . . . . . . . . . . 59 Figura 34 – Propriedades do
dispositivo real. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
Figura 35 – Modelo esquemático da antena em formato de E. . . . . .
. . . . . . . . 60 Figura 36 – Detalhes do corte na folha metálica
e posicionamento do dispositivo. (a)
Sem o dispositivo e (b) com o dispositivo. . . . . . . . . . . . .
. . . . . 61 Figura 37 – Modelo esquemático da antena com a fenda
em formato de E. (a) parte
superior, (b) parte inferior . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . 62 Figura 38 – Materiais utilizados para medida
experimental. (a) Laser 532 nm 98 mW,
(b) VNA (Vector Network Analyzer), (c) LDR (light dependent
resistor). 63 Figura 39 – Curva I-V para diferentes dopagens do
substrato. (a) 1013 cm−3 e 1015
cm−3, (b) 1015 cm−3 e 1018 cm−3. . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . 64 Figura 40 – Curva I-V para diferentes dopagens do
substrato, em preto para o estado
desligado e vermelho para o estado ligado. (a) 1013 cm-3, (b) 1015
cm-3. . 65 Figura 41 – Resistividade em função do log da dopagem
para o estado desligado e ligado. 66 Figura 42 – Taxa de
fotogeração em função da profundidade de penetração para 4
comprimentos de onda em um substrato com dopagem de 1015 cm-3. . .
. 67 Figura 43 – Dispositivo horizontal recebendo luz com
diferentes comprimentos de onda.(a)
400 nm, (b) 532 nm, (c) 790 nm, (d) 808 nm. . . . . . . . . . . . .
. . . 67 Figura 44 – Corrente (A) versus comprimento de onda (m). .
. . . . . . . . . . . . 68
Figura 45 – Lâmina antes da gravação em (a), pós gravação em (b) .
. . . . . . . . . 68 Figura 46 – Lâmina pronta em (a) e em processo
de caracterização em (b). . . . . . . 69 Figura 47 – Dispositivos
cortados em (a) e dispositivo de 1x2 mm2 (b). . . . . . . . . 69
Figura 48 – Curva I-V. (a) Medida experimental, (b) Simulações. . .
. . . . . . . . . 70 Figura 49 – Nível de dopagem da lâmina em
função da resistividade (SZE; NG, 2006). 71 Figura 50 – Curva I-V
para o estado desligado (linha preta) e ligado (linha vermelha). 72
Figura 51 – Curva I-V para o estado desligado (linha preta) e
ligado (linha vermelha). 72 Figura 52 – Dopagens na parte superior
em (a), dopagem na inferior em (b) da tenta-
tiva de projeto de um diodo PIN. . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . 74 Figura 53 – Curva I-V para o estado desligado (linha
preta) e ligado (linha vermelha)
de um diodo PIN. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . 75 Figura 54 – Diodo PIN ideal simulado pelo ATLAS. . .
. . . . . . . . . . . . . . . . 75 Figura 55 – Impedância total
entre os eletrodos (para o estado desligado em preto e
ligado em vermelho) em função da frequência. . . . . . . . . . . .
. . . . 77 Figura 56 – Simulação da perda de retorno para a antena
dipolo. . . . . . . . . . . . 78 Figura 57 – Antena dipolo
fabricada com o LDR soldado. . . . . . . . . . . . . . . . 79
Figura 58 – Projeto da antena dipolo com o LDR soldado. (a) Estado
desligado, (b)
Estado ligado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . 80 Figura 59 – Antena com formato de E fabricada com
o LDR soldado . . . . . . . . . 81 Figura 60 – (a) Simulação da
perda de retorno da antena para diferentes resistividades
da chave óptica. (b) Medidas experimentais da perda de retorno para
o estado desligado (linha preta) e ligado (linha vermelha). . . . .
. . . . . 82
Figura 61 – Padrão de radiação da antena E, (a) em 5,7 GHz e (b)
2,0 GHz. . . . . . 83 Figura 62 – Perda de retorno da antena com
fenda em formato de E para a resistividade
de 10 Ω.m em preto e Ω.m em vermelho. . . . . . . . . . . . . . . .
. . . 84 Figura 63 – Ganho da antena com fenda em formato de E. (a)
em 5,8 GHz e (b) 2,45
GHz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . 85
Lista de tabelas
Tabela 1 – Elementos mais usados na microeletrônica e suas
valências (GREENWOOD; EARNSHAW, 1984). . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . 27
Tabela 2 – Dimensão de projeto de cada parâmetro da antena dipolo.
. . . . . . . . 57 Tabela 3 – Dimensão de cada parâmetro da antena
em formato de E. . . . . . . . . 61 Tabela 4 – Dimensão de cada
parâmetro da antena com fenda em formato de E. . . 62 Tabela 5 –
Propriedades elétricas do LDR informadas pelo fabricante. . . . . .
. . . 63 Tabela 6 – Comparação entre resistência e resistividade do
estado desligado e ligado
das simulações e medidas experimentais. . . . . . . . . . . . . . .
. . . . 71 Tabela 7 – Impedâncias e capacitâncias para o diodo pn
em função da frequência. . 76 Tabela 8 – Resistências para o estado
desligado e ligado dos dispositivos. . . . . . . 77
Sumário
1 Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . 16 1.1 Objetivo do estudo . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 1.2 Organização da
dissertação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
24
2 Revisão Bibliográfica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . 25 2.1 Física de semicondutores . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.1.1 Materiais semicondutores e suas propriedades . . . . . . . .
. . . . . 25 2.1.2 Propriedades Físicas dos Semicondutores . . . .
. . . . . . . . . . . . 25 2.1.3 Transporte de Carga em
Dispositivos Semicondutores . . . . . . . . . 27 2.1.4 Junção PN .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
29
2.2 Efeito da luz nos dispositivos fotocondutores . . . . . . . . .
. . . . . . . . . 31 2.2.1 Absorção de Luz e Fotogeração de
Portadores . . . . . . . . . . . . . 33
2.3 Circuitos de telecomunicações . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . 35 2.3.1 Ondas eletromagnéticas . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . 35 2.3.2 Linhas de Transmissão . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 2.3.3 Condutores
e Isolantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
37
2.4 Antenas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . 37 2.4.1 Dimensão das Antenas . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . 37 2.4.2 Frequência de operação .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 2.4.3
Frequência de Operação da Antena em Formato E. . . . . . . . . . .
39 2.4.4 Largura de Banda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . 39
2.5 Padrão de Radiação da Antena . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . 39 2.5.1 Radiação de Dipolo Elétrico . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.6 Ganho . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . 41 2.6.1 Diretividade . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 2.6.2 Eficiência da Antena
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 2.6.3
Ganho . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . 44
3 Metodologia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . 45
3.1 Fluxograma do Projeto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . 45 3.2 Chaves ópticas baseadas em dispositivos
semicondutores . . . . . . . . . . . 46 3.3 Simulações . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
47
3.3.1 Dispositivo horizontal . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . 47 3.3.2 Dispositivo vertical . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . 47 3.3.3 Diodo PN . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 3.3.4
Simulações dos testes elétricos . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . 49
3.4 Fabricação do dispositivo horizontal . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . 51 3.5 Testes dos dispositivos . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 3.6 Projeto das
antenas reconfiguráveis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. 56
3.6.1 Projeto da antena dipolo . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . 56 3.6.2 Simulações da antena dipolo . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . 57 3.6.3 Simulações da antena em
formato E . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 3.6.4 Simulações
da antena com a fenda em formato de E . . . . . . . . . . 61
3.7 Preparação para as medidas das antenas e materiais . . . . . .
. . . . . . . . 62 4 Resultados dos Dispositivos . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
4.1 Simulações do dispositivo horizontal . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . 64 4.2 Fabricação dos dispositivos . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
4.2.1 Medidas experimentais do dispositivo horizontal . . . . . . .
. . . . . 69 4.3 Dispositivo Vertical . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . 70 4.4 Diodo PN . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
4.4.1 Soluções ao diodo PN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . 73 4.4.2 Impedâncias do diodo PN em função da
frequência . . . . . . . . . . 73
4.5 Comparação entre os Dispositivos . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . 76 5 Resultados das Antenas . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
5.1 Antena Dipolo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . 78 5.2 Antena em Formato de E . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 5.3 Antena com a fenda
em formato E . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
6 Conclusão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . 86 6.1 Trabalhos Futuros . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
Referências . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . 89
Anexos 93 ANEXO A Publicações . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . 94 ANEXO B Código Silvaco para produção
do diodo pn e testes elétricos. . . . . 95
16
1 Introdução
O uso de sistemas de telecomunicações tem crescido cada vez mais
rapidamente nos últimos anos. Com o aumento da demanda, adaptações
a novas tecnologias devem ser explo- radas a fim de atender a novos
requisitos do mercado (JUNIOR et al., 2014).
Novos sistemas estão evoluindo e com eles há um aumento na
multifuncionalidade de sistemas rápidos e seguros. Antenas
reconfiguráveis possibilitam um grande número de vantagens civis e
militares uma vez que podem fornecem acesso sem fio de alta
velocidade e grande fluxo de dados. Para ser possível a alta
performance desses sistemas não só o processamento de sinais é de
fundamental importância, mas também há grande necessidade de se
adaptar os hardwares a alta demanda. As antenas são um dos
principais componentes de sistemas de telecomunicações e
desempenham um papel muito importante na determinação do desempenho
dos sistemas sem fio (GUO et al., 2018). As antenas reconfiguráveis
representam uma recente inovação e tem recebido atenção nos últimos
anos devido à sua flexibilidade para operar em frequências
multibanda, uma característica importante para as novas tecnologias
sem fio (TAWK et al., 2010).
Figura 1 – Exemplos de diferentes modelos de antenas (BALANIS,
2012).
Capítulo 1. Introdução 17
Antenas são componentes eletrônicos responsáveis por transformar as
ondas eletro- magnéticas guiadas dentro da linha de transmissão em
ondas eletromagnéticas irradiadas ao meio externo, ou de recepção
dessas ondas do meio externo para transformá-las em ondas guiadas
para a linha de transmissão. Antenas são componentes eletrônicos
dependentes de sua estrutura física, isso significa que, o formato,
tamanho e componentes constituintes in- fluenciam no sinal de rádio
frequência (sinal RF) que a antena irá trabalhar. Como visto na
Figura 1, antenas dipolo de fio dependem basicamente do tamanho de
seus braços, no caso cada braço deve ter o comprimento de /4, sendo
o comprimento da onda da antena, o qual é inversamente proporcional
à frequência de operação. Porém, antenas microstrip que serão
abordadas no projeto, sua frequência de operação é dependente do
formato, tamanho e materiais constituintes da antena.
(a)
(b)
Figura 2 – Frequência de operação de uma antena. (a) Banda única,
(b) banda dupla (BA- LANIS, 2012).
Capítulo 1. Introdução 18
Figura 3 – (a) Antena dipolo, (b) dipolo reconfigurável.
Antenas reconfiguráveis são fabricadas de forma que suas
características, como por exemplo, frequência de operação,
polaridade ou padrão de radiação possam ser alteradas de acordo com
os requisitos do sistema. A Figura 2(a) mostra a característica de
uma antena de banda única. Vemos que neste caso a perda de retorno
possui um valor mínimo de -22 dB em 20 GHz. Essa é a frequência na
qual a perda de sinal é mínima para a antena, sendo assim, a antena
opera em torno de 20 GHz. Na Figura 2(b) vemos a característica de
uma antena de banda dupla. Neste caso, há duas regiões onde a perda
de retorno é mínima, 20 GHz e 22 GHz, portanto a antena pode operar
em ambas frequências. Também existem antenas
Capítulo 1. Introdução 19
de múltiplas bandas, na qual há diversas frequências de operação,
porém não abordadas no projeto.
A Figura 3 ilustra o princípio de operação de uma antena
reconfigurável cuja mudança de frequência de operação é realizada
de forma dinâmica. A Figura 3(a) mostra uma antena dipolo na qual a
soma do comprimento L1 de seus dois braços é 1/21. Neste caso a
antena terá a frequência de operação f1. Em um segundo caso a
antena dipolo tem um braço de comprimento L2 maior que L1. Neste
caso o comprimento total da antena será de 1/22 e, portanto, sua
frequência de operação é f2. Como 2 > 1 temos que f1 será maior
que f2, como observado pela Figura 3(a). No caso de uma antena
dipolo reconfigurável, como na Figura 3(b), a antena recebe um
dispositivo de chaveamento em seus braços. No primeiro caso, o
dispositivo está desligado, ou seja, funciona como um circuito
aberto e o braço da antena possui o tamanho L1 e a frequência f1.
No segundo caso, a chave está ligada, funcionando como um curto
circuito. O braço da antena terá o comprimento L2 e, portanto, a
frequência de operação f2. Assim, vemos que, a antena reconfigurou
sua frequência de operação conforme o tamanho dos braços da antena,
controlada pelos dispositivos de chaveamento.
A Figura 4 apresenta uma antena reconfigurável em formato de E.
Aqui, quando desconectado o sinal RF a perda de retorno da antena
se mantém em zero. Quando conectado o sinal RF e o dispositivo de
chaveamento está desligado (circuito aberto) apenas a região em
vermelho está sensibilizada pelo sinal RF e assim a antena opera em
f1. Quando o dispositivo é ligado (curto circuito) o braço central
da antena também é sensibilizado pelo sinal RF e assim a antena
muda suas características, uma vez que seu formato é diferente de
anteriormente. A antena, portanto, é toda sensibilizada pelo sinal
RF e opera em f2.
A discussão acima indica que a técnica de reconfiguração
basicamente consiste em alterar a região sensibilizada pelo sinal
RF usando dispositivos de chaveamento. Abaixo são apresentadas
diversas implementações da técnica de antenas reconfiguráveis
apresentadas em (CHRISTODOULOU et al., 2012), resumidas também na
Figura 5.
Sistemas microeletromecânicos conhecidos como RF-MEMS como visto em
(JUNG et al., 2006) (CETINER et al., 2010) e (HUFF; BERNHARD,
2006). Neste sistema movimentos mecânicos abrem ou fecham circuito
na superfície da trilha da antena mudando suas propriedades
eletromagnéticas.
Sistemas baseados em diodos PIN (PEROULIS; SARABANDI; KATEHI,
2005), (FRIES; GRANI; VAHLDIECK, 2003) e (NIKOLAOU et al., 2006).
Neste caso o diodo PIN é polarizado com uma corrente contínua
definido como estado ligado ou sem corrente contínua definido como
estado desligado, o que causa uma modificação na trilha da antena e
com isso causa a modificação das propriedades da antena.
Capítulo 1. Introdução 20
Figura 4 – Modelo da antena reconfigurável. Para cada região
sensibilizada pelo sinal de RF na trilha da antena há uma
frequência de operação. As mudanças nas áreas sensibilizadas são
dependentes do estado do dispositivo, ou seja, desligado ou
ligado.
Uso de varactores em (BEHDAD; SARABANDI, 2006), (ANTONINO-DAVIU et
al., 2007) e (JEONG et al., 2008). Baseado na junção pn de um diodo
polarizado reversa- mente. Com a aplicação de diferentes valores de
polarização o diodo muda a capacitância de junção modificando assim
as propriedades da antena.
Sistema implementados com elementos fotocondutores (ARISMAR et al.,
2013), (CH-
Capítulo 1. Introdução 21
RISTODOULOU et al., 2012), (PRINGLE et al., 2004), (CHAHARMIR et
al., 2006) e (PANAGAMUWA; CHAURAYA; VARDAXOGLOU, 2006). A geração
de portadores em um dispositivo semicondutor devido a incidência
luminosa altera a condutividade do material, causando assim uma
mudança nas propriedades da antena.
Figura 5 – Modelo esquemático das formas de reconfiguração das
antenas baseados em (CH- RISTODOULOU et al., 2012).
Neste trabalho, a técnica foi implementada por dispositivos
fotocondutores. Esse mo- delo de dispositivo apresenta diversas
características adequadas para tal aplicação. Por exem- plo, não
requerer uma linha de polarização, o que elimina uma possível
interferência da pola- rização DC e facilita a integração da antena
em um circuito fotônico. Além disso, dispositi- vos fotocondutores
possuem velocidades de comutação rápidas, na ordem de
nanossegundos, sendo superiores em termos de desempenho quando
comparados aos RF MEMS (JUNIOR et al., 2014). As antenas
reconfiguráveis podem ser classificadas dentro de 4 diferentes
categorias:
Frequência: Estrutura radiante capaz de mudar sua frequência de
operação alterando a banda de frequência. O presente trabalho
aborda este caso.
Padrão de radiação: O padrão de radiação altera sua forma, direção
ou ganho.
Polarização: Neste caso a antena muda sua polarização.
Os três casos juntos: Essa categoria é a combinação das
anteriores.
A reconfiguração que corresponde a cada um dos tipos citados é
obtida por uma mudança nas distribuição de correntes, mudança na
alimentação, mudança na estrutura física ou nas bordas de
irradiação da antena. É importante notar que, uma vez feito alguma
dessas mudanças, o campo eletromagnético radiado da antena é
modificado, alterando características como o padrão de radiação e a
frequência de operação. Portanto é importante projetar a
Capítulo 1. Introdução 22
antena de forma que esse problema seja minimizado. Diversas
vantagens no uso de antenas reconfiguráveis são resumidos em
(BALANIS, 2011), (YANG et al., 2009), (BROWN, 1998).
Suporte a diversos padrões de rede sem fio:
– Baixo custo;
– Pode atuar como único elemento ou múltiplos;
– Operação com banda estreita ou banda larga;
Apesar das antenas reconfiguráveis apresentarem forte potencial a
integrarem futuras gerações de redes sem fio, sua implementação
pode trazer um aumento nos custos devido aos seguintes itens:
Complexidade de projeto;
Aumento do consumo devido aos elementos comutadores implementados a
antena; Ge- ração de harmônicas;
Necessidade de sintonização rápida e adaptação do padrão de
radiação ao funciona- mento do sistema.
No trabalho feito por (TAWK et al., 2010), apresentado na Figura
6(a), foi projetada uma antena microstrip consistindo de um anel
externo conectado a uma fonte e a uma tira circular interna. Essas
seções são separadas por uma lacuna, onde um dispositivo semicondu-
tor de silício tipo n (Si) é colocado para conectar ambas as
seções. Na ausência de iluminação, a chave está em um estado de
alta resistência e a faixa circular interna permanece desco-
nectada. Neste caso, a frequência de ressonância situa-se entre 18
e 19 GHz. No entanto, quando a chave é iluminada, ela assume um
estado de baixa resistência, de modo que ambas as seções da antena
são alimentadas e uma nova ressonância ocorre em 12 GHz. Uma antena
com fenda em forma de E é investigada em (ARISMAR et al., 2013),
como visto na Figura 6(b). O acoplamento magnético é feito por um
terra que consiste em uma tira impressa na parte inferior da
antena. A tira é conectada a um fotorresistor de silício
intrínseco, que é responsável por alterar a frequência de operação
quando iluminado ou não com a luz de um laser.
Capítulo 1. Introdução 23
(a) (b)
Figura 6 – Trabalhos usando antenas opticamente reconfiguráveis.
(a) (TAWK et al., 2010), (b) (ARISMAR et al., 2013).
No presente trabalho, investigamos as características de três
chaves fotocondutoras para implementação na antena reconfigurável.
Esses dispositivos correspondem a um fotor- resistor horizontal, um
fotorresistor vertical e um fotodiodo PN. Os dispositivos foram
pro- jetados com sua estrutura baseada em lâminas de silício
comerciais usadas na produção de circuitos integrados. Suas
estruturas foram projetadas e simuladas pelo software SILVACO TCAD
(MANUAL, 2000). O software usa computação numérica com a finalidade
de cons- truir estruturas físicas baseadas em materiais
semicondutores, isolantes e condutores. As estruturas são criadas
de forma a serem semelhantes a dispositivos fabricados. É possível
pelo software simular o processo de construção do dispositivo,
começando pela obtenção da lâmina, escolha da dopagem e tipo de
material semicondutor, deposição de fotorresiste, cor- rosão,
implantação e até mesmo recozimento. No software também é possível
a realização de testes elétricos como de polarização, ou de
pequenos sinais, incidência luminosa, cálculo de campo elétrico e
magnético dentre outros. No projeto os fotorresistores foram
baseados em dispositivos criados em lâminas de silício
monocristalino do tipo p com diversas dopagens. Foi realizado um
estudo sobre qual dopagem da lâmina melhor se encaixaria para a
fina- lidade de chave óptica. Fotorresistores baseados no projeto
do dispositivo horizontal foram fabricados, testados e seus modelos
validados conforme obtidos pelas simulações. Por último foram
projetadas, simuladas e testadas duas antenas, a antena dipolo e a
antena em forma de E. As antenas foram projetadas e simuladas pelo
software ANSYS HFSS (ANSYS, 2015) que se baseia em computação
numérica e métodos de elementos finitos. Os dispositivos tem o
papel fundamental de trabalharem como chaves controladas pela
incidência luminosa. Porém,
Capítulo 1. Introdução 24
no HFSS não é possível reproduzir tal teste, assim,as
características dos dispositivos antes testadas devem ser
introduzidas na simulação das antenas conforme os resultados
obtidos pelas simulações no SILVACO. Testes experimentais da perda
de retorno foram realizados para validar o projeto das antenas
reconfiguráveis propostas. Os resultados experimentais e das
simulações estão em boa concordância, mostrando que foi possível
observar as antenas reconfigurando suas frequências de acordo com a
aplicação da incidência luminosa obtida de- vido a um laser
comercial na chave óptica da antena responsável pela comutação das
bandas de frequência.
1.1 Objetivo do estudo
Simulação e fabricação de dispositivos semicondutores e estudo de
suas características elétricas submetidos ou não a aplicação de
luz. Estudo de seus comportamentos como chaves ópticas.
Estudo e desenvolvimento de duas antenas opticamente
reconfiguráveis, na qual suas frequências de operação são
controladas pela incidência da luz de um laser em disposi- tivos
semicondutores fotossensíveis, melhor denominados como chaves
ópticas.
1.2 Organização da dissertação O texto do projeto foi organizado
conforme descrito abaixo:
Capitulo 1 Neste capítulo é apresentado uma breve introdução do que
se trata antenas reconfiguráveis, como os dispositivos atuam como
chaves e também o que são esses dispositivos.
Capitulo 2 Breve análise teórica e modelagem do projeto.
Capitulo 3 Descrição sucinta dos detalhes das simulações, testes e
gráficos desenvolvidos no projeto.
Capítulo 4 Apresentação dos resultados das simulações e medidas
experimentais dos dis- positivos desenvolvidos.
Capítulo 5 Apresentação das simulações e testes experimentais das
antenas fabricadas.
Capítulo 6 Discussão dos principais resultados e conclusões.
25
2.1.1 Materiais semicondutores e suas propriedades
No estudo dos dispositivos semicondutores é indispensável o
conhecimento de dife- rentes materiais e suas propriedades.
Diversos semicondutores são usados no mercado como o silício (Si),
o germânio (Ge), o arseneto de gálio (GaAs) dentre outros (RAZAVI,
2008). Contudo, a grande maioria das aplicações usam o silício. O
silício é o elemento mais abun- dante na crosta terrestre e pode
ser encontrado na sílica (SiO2), mais conhecida popularmente como
areia (GREENWOOD; EARNSHAW, 1984). Portanto, o elevado uso do
silício tem um motivo preliminar devido a sua facilidade de
obtenção e custo de operação. Basicamente há propriedades dos
materiais semicondutores que devem ser analisadas antes da escolha
do ma- terial a ser utilizado no projeto. A largura de banda,
orientação cristalina, pureza, dopagem, mobilidade, entre outras
propriedades, mudam de material para material. No entanto, nem
sempre o material com propriedades mais adequadas é viável ao
projeto por possuírem, por exemplo, elevado custo (TAKAHASHI;
SEKIGUCHI, 2006).
2.1.2 Propriedades Físicas dos Semicondutores
Portadores de cargas: Em semicondutores como o Si ou Ge um átomo
liga a outros qua- tro átomos vizinhos e com isso se torna estável
(átomos tetravalente). A zero graus a rede cristalina mantém as
ligações covalentes e não há elétrons livres pela rede. Porém,
conforme há aumento na temperatura as ligações covalentes vão sendo
rompidas e os elétrons ficam livres para se moverem (STREETMAN;
BANERJEE, 2016). Uma ilus- tração da geração do par elétron-lacuna
é mostrada na Figura 7. Quando rompida uma ligação covalente um
elétron é liberado. O elétron liberado deixa um ”vazio” chamado de
buraco ou lacuna. Esse elétron e a lacuna liberadas estão livres
para se deslocar pela rede cristalina (STREETMAN; BANERJEE,
2016).
Energia de banda proibida (Bandgap "E") (SZE; NG, 2006): Em resumo,
é a energia necessária para que haja rompimento da ligação
covalente. A condutividade do material está diretamente relacionada
com a energia de banda proibida do material e com a tem- peratura
devido a quantidade de portadores (elétrons ou lacunas) gerados. O
número
Capítulo 2. Revisão Bibliográfica 26
Figura 7 – (a) Átomo de silício e suas ligações, (b) ligações
covalentes interatômicas, (c) produção de um elétron, (d) produção
de uma lacuna. (RAZAVI, 2008)
de portadores por unidade de volume (cm3) gerados no silício devido
a temperatura é dado pela eq. (2.1) (SEDRA; SMITH, 1998)
= 5, 2 × 1015 3/2 exp (−
2
) , (2.1)
onde k é chamada de constante de Boltzmann e T é a temperatura.
Para condutores E é pequena, para isolantes E é alta (do diamante é
em torno de E = 2,5 eV) e para semicondutores E possui um valor
intermediário, geralmente de 1 a 1,5 eV (do silício é em torno de
1,2 eV) (RAZAVI, 2008).
Semicondutor intrínseco: É aquele na qual o material encontra-se
"puro", ou seja, livre de demais ”impurezas” em sua estrutura que
modificam as propriedades do material. Semicondutores intrínsecos
possuem resistividade elevada e a quantidade de elétrons e lacunas
são idênticas.
Semicondutor extrínseco: Quando há introdução de elementos
substitucionais na estru- tura cristalina a condutividade do
material pode mudar, uma vez que há diferença de valência do
material intruso com a do material intrínseco. Por exemplo, na
Tabela 1 podemos ver a posição na tabela periódica de alguns
elementos comumente usados na microeletrônica. O silício muitas
vezes é dopado com fósforo. O fósforo é pentavalente e o silício
tetravalente, assim, quando há introdução de fósforo em substrato
de silício o fósforo faz 4 ligações, o que deixa um de seus
elétrons ”sobrando” como podemos ver na Figura 8. Com pouca energia
este elétron é ”doado” para a estrutura, aumentando a condutividade
do material. Nesse caso dizemos que o material tem dopagem tipo n.
Quando a introdução da impureza produz um aumento na concentração
de lacunas do
Capítulo 2. Revisão Bibliográfica 27
material, diz-se que este tem dopagem tipo p. Portanto,
semicondutores extrínsecos possuem uma condutividade elevada
comparada aos intrínsecos, quanto mais dopado o material maior será
sua condutividade. Para o silício com o número de portadores em
torno de 1.1011 cm−3 temos o material intrínseco e sua
resistividade é maior que 3000 Ω.cm, porém, por exemplo, com uma
dopagem tipo p com boro, a uma concentração de 1.1015 cm−3 temos o
material extrínseco e a resistividade do material é em torno de 10
Ω.cm (SZE; NG, 2006).
Tabela 1 – Elementos mais usados na microeletrônica e suas
valências (GREENWOOD; EARNSHAW, 1984).
Valência III IV V Elemento Boro (B) Carbono (C) — Elemento Alumínio
(Al) Silício (Si) Fósforo (P) Elemento Gálio (Ga) Germânio (Ge)
Arsênio (As)
Figura 8 – (a) Dopagem tipo n, (b) Dopagem tipo p. (RAZAVI,
2008)
2.1.3 Transporte de Carga em Dispositivos Semicondutores
Há basicamente duas maneiras dos portadores de cargas se
movimentarem no semi- condutores, por difusão ou deriva, como
descritos a seguir.
Movimento por difusão: O movimento de difusão é aquele na qual os
portadores, devido ao gradiente de concen- tração, se deslocam da
região de maior concentração para a região de menor concen- tração
como observado pela Figura 9. O fenômeno em semicondutores também
pode ocorrer devido a injeção ou remoção de portadores de cargas, o
que torna a densidade de portadores não uniforme, gerando
transporte por difusão. O processo de injeção de portadores pode
ocorrer, por exemplo, devido a incidência luminosa. A região do
dis- positivo na qual é exposta a incidência da luz irá gerar
portadores e a região que não está exposta não irá gerar. Devido
essa diferença de concentração ocorrerá a difusão dos portadores
para que seja estabelecido o equilíbrio no dispositivo. O movimento
das
Capítulo 2. Revisão Bibliográfica 28
Figura 9 – Processo de difusão de portadores devido ao gradiente de
concentração (RAZAVI, 2008).
cargas pode ser visto na Figura 9. Analisando em uma dimensão temos
que a densidade de corrente elétrica devido a difusão de elétrons e
lacunas é dada pela eq. (2.2)
ã =
) , (2.2)
onde D e D são conhecidas como constante de difusão de elétrons e
lacunas, respec- tivamente (MISHRA; SINGH, 2007).
Movimento por deriva: Sabemos pela Lei de Ohm que materiais
conduzem corrente elétrica devido a uma diferença de potencial
entre duas regiões. O campo elétrico gerado move as cargas de uma
região a outra, o que em semicondutores é conhecido como movimento
de deriva, como observado na Figura 10. Os portadores de carga
aceleram devido ao campo elétrico, porém ”colidem” com os átomos da
rede cristalina durante seu movimento tendo sua velocidade de
deslocamento limitada. Para campos elétricos não muito elevados
esta velocidade de deriva é proporcional ao campo elétrico aplicado
(v ∝ E). Enfim, a velocidade dos portadores é definida em função da
mobilidade dos portadores, como visto pela eq. (2.3)
= . (2.3)
A mobilidade é dada em cm2/(V.s). Para o silício a mobilidade do
elétrons é aproxi- madamente = 1500 cm2/(V.s) e a mobilidade de
lacunas aproximadamente = 450 cm2/(V.s) (MISHRA; SINGH, 2007). O
fato da mobilidade dos elétrons no silício ser superior a
mobilidade de lacunas torna os dispositivos com dopagem tipo n mais
rápidos que os dispositivos com dopagem tipo p. A densidade de
corrente de deriva total é dada pela eq. (2.4)
= ( + ). (2.4)
Capítulo 2. Revisão Bibliográfica 29
Figura 10 – Processo de deriva de lacunas devido ao campo elétrico
E (SZE; NG, 2006).
2.1.4 Junção PN
Junção PN ocorre quando um dispositivo com dopagem tipo p é
conectado a um dispositivo com dopagem tipo n. O dispositivo mais
famoso que usa o efeito de junção PN é o diodo pn, porém, a maioria
dos dispositivos como transistores bipolares e MOSFETs também
possuem junções PN em sua estrutura.
Figura 11 – Junção PN no silício (RAZAVI, 2008).
Na Figura 11 é visto que a região p foi dopada com boro e a região
n com fósforo. Após a junção, os portadores se movimentarão e irão
atingir o equilíbrio termodinâmico. Sem aplicação de polarização
externa os elétrons do lado n irão difundir para o lado p deixando
uma região com os íons positivos próximos a junção. As lacunas do
lado p irão difundir para o lado n deixando uma região com íons
negativos próximos a junção. Como resultado há a formação da
chamada região de depleção, formada por estes íons (SZE; NG, 2006).
A região
Capítulo 2. Revisão Bibliográfica 30
de depleção do lado p e n dá origem a um campo elétrico como
observado na Figura 12.
Figura 12 – (a) Junção PN fora do equilíbrio, (b) após difusão de
alguns portadores, (c) após estabelecido o equilíbrio termodinâmico
e formado a região de depleção (RAZAVI, 2008).
O campo elétrico na região de depleção produz um potencial elétrico
conhecido como barreira de potencial V0 dado pela eq. (2.5)
|0| =
ln (
) , (2.5)
onde q é a carga fundamental q = 1,602176487×10−19 C (LEHMANN;
FUENTES-ARDERIU; BERTELLO, 1996).
O diodo pode ser utilizado sobre duas condições, polarizado
diretamente ou reversa- mente.
Diodo polarizado diretamente: Neste caso a junção pn recebe um
potencial elétrico externo V na qual a tensão do lado do cristal p
(anodo) é superior a tensão do lado do cristal n (catodo) como
observado na Figura 13. O potencial externo V tem sentido oposto a
barreira de potencial V0. Esta polarização gera uma corrente
elétrica dada pela eq. (2.6) (SEDRA; SMITH, 1998)
=
[ exp
(
) − 1
] , (2.6)
onde V é conhecida como tensão térmica, dada por kT/q, I é
conhecida como corrente de saturação reversa e é dada pela eq.
(2.7)
= 2
Capítulo 2. Revisão Bibliográfica 31
onde A é a área transversal do dispositivo, D e D são as constantes
de difusão, de elétrons e lacunas, respectivamente, L e L os
comprimentos de difusão de elétrons e lacunas,
respectivamente.
Figura 13 – Diodo polarizado diretamente (RAZAVI, 2008).
Diodo polarizado reversamente: Polarizado reversamente a tensão
externa V é mais positiva do lado n do cristal (catodo) que ao lado
p do cristal (anodo). Em equilíbrio o campo elétrico é direcionado
do lado n para o lado p o que torna o potencial de barreira interna
ainda maior. Assim ocorrerá ampliação da região de depleção. A
tensão externa fortalece o potencial interno. A barreira de
potencial se torna maior que no caso na qual não há tensão externa
aplicada, barrando o fluxo de corrente. Quanto mais se eleva o
potencial externo, maior será a barreira de potencial como visto na
Figura 14. A junção carrega somente uma corrente reversa
insignificante conhecida como corrente reversa de saturação (SEDRA;
SMITH, 1998).
Uso do diodo: A curva característica da função exponencial dada
pela eq. (2.6) é mos- trada na Figura 15.
2.2 Efeito da luz nos dispositivos fotocondutores Um dispositivo
fotocondutor consiste de uma placa ou filme fino de material
semi-
condutor na qual recebe em suas extremidades contatos ôhmicos (SZE;
NG, 2006), como observado na Figura 16. Quando há incidência de luz
no material semicondutor há geração de portadores de carga que
modificam a condutividade do material. A geração dos portadores
ocorre de forma diferente para o material intrínseco ou para o
extrínseco. A condutividade do material intrínseco é dada pela eq.
(2.8). Ao ser iluminado é gerado uma quantidade de
Capítulo 2. Revisão Bibliográfica 32
Figura 14 – Diodo polarizado reversamente (RAZAVI, 2008).
Figura 15 – Curva característica do diodo pn.
Capítulo 2. Revisão Bibliográfica 33
portadores que assim aumentam a condutividade do dispositivo. O
comprimento de onda da luz incidente no dispositivo tem grande
importância na fotogeração dos portadores. Para que ocorra a
fotogeração, a luz incidente deve fornecer uma energia no mínimo
igual àquela da banda proibida do semicondutor, dada pela eq. (2.9)
(SZE; NG, 2006)
= ( + ), (2.8)
=
, (2.9)
onde é a condutividade do material, e são as mobilidades de
elétrons e lacunas, respectivamente e é a constante de
Planck.
Figura 16 – Exemplo de dispositivos fotocondutores (SZE; NG,
2006).
2.2.1 Absorção de Luz e Fotogeração de Portadores
Para avaliar o desempenho de fotodetectores e fotocondutores quatro
parâmetros são considerados: eficiência quântica e ganho, tempo de
resposta e sensitividade. Para um semi- condutor sendo iluminado
sobre a área A o número de fótons que chegam no dispositivo por
unidade de tempo é Popt/, sendo Popt a potência óptica incidente e
a frequência do fóton incidente. A taxa de fotogeração de
portadores por unidade de volume é dada por (SZE; NG, 2006)
= / =
Capítulo 2. Revisão Bibliográfica 34
onde n é a densidade de portadores em excesso, é o tempo de vida
dos portadores gerados,
é a eficiência quântica (número de portadores gerados por fóton) e
W, L e D são as dimensões do dispositivo. O processo é ilustrado
pela Figura 17.
Figura 17 – Processo de fotogeração de portadores em um diagrama de
bandas de um dispo- sitivo intrínseco e extrínseco (SZE; NG,
2006).
A concentração de portadores gerados n então é dada pela eq.
(2.11)
= . (2.11)
O decaimento com o tempo da concentração de portadores gerados é
dado pela eq. (2.12)
() = (0) exp (−
) , (2.12)
onde N(0) é o número de portadores em excesso após a incidência
luminosa ser retirada do semicondutor.
Para o semicondutor intrínseco temos a fotocorrente elétrica nos
eletrodos dada pela eq. (2.13)
= ( + ) (2.13)
onde é o campo elétrico aplicado entre os eletrodos.
Substituindo n da eq. (2.10) na eq. (2.13) a fotocorrente fica como
na eq. (2.14)
= (
) , (2.14)
onde definimos que a fotocorrente primária é dada pela eq.
(2.15)
= (
=
) , (2.16)
onde t = (L / ) e t = (L / ) são os tempos de trânsito de elétrons
e lacunas entre os eletrodos, respectivamente. O ganho depende do
tempo de vida dos portadores em relação ao tempo de transição como
a eq. (2.16) indica (SZE; NG, 2006).
2.3 Circuitos de telecomunicações Basicamente os circuitos de
telecomunicações são compostos por 3 partes fundamen-
tais: transmissores, receptores e canais de comunicação. Os canais
de comunicação podem ser cabos (chamados de linhas de transmissão)
ou então pelo ar. A comunicação entre trans- missor e receptor só é
realizada devido aos sinais reais que geramos como som, imagens e
dados são transformados em sinais elétricos e transmitidos entre os
sistemas devido as ondas eletromagnéticas que propagam em cabos ou
até mesmo pelo espaço (BALANIS, 2012).
2.3.1 Ondas eletromagnéticas
Ondas de uma forma geral é uma perturbação em um meio, sua
propagação mantem forma fixa e velocidade constante. A forma mais
popular de ondas é a senoidal como pode ser vista na eq.
(2.17)
(, ) = (( − ) + ), (2.17)
onde f(x,t) é a função de onda que se desloca em x com velocidade
v, A é uma constante e K é conhecido como número de onda na qual se
relaciona ao comprimento de onda pela eq. (2.18)
= 2
. (2.18)
Capítulo 2. Revisão Bibliográfica 36
A medida que a onda passa ela se desloca com velocidade v em x com
um período por ciclo dado pela eq. (2.19) e a frequência o inverso
do período.
= 2
, (2.19)
Ondas eletromagnéticas (ondas EM) seguem as equações descritas
acima, além de terem particularidades que serão discutidas a
diante. Quando há corrente em um condutor há movimento de cargas e
portanto há também um campo magnético. Quando há diferença de
potencial em um condutor há um campo elétrico. Ondas
eletromagnéticas são formadas quando o campo magnético entra em
contato com o campo elétrico. Na direção de propagação da onda EM
se orienta o vetor de poynting na qual é resultado do produto
vetorial do campo elétrico ”E” com o magnético ”B” como mostrado
pela eq. (2.20). Ondas eletromagnéticas se propagam no vácuo com
velocidade constante de c = 2,99792458.108 m/s. Ondas EM como as
demais ondas sofrem efeitos de interferência, difração, refração e
polarização. São capazes de atravessar meios como o ar, vácuo e até
mesmo materiais sólidos. Diferente de ondas mecânicas como o som,
ondas EM não necessitam de meios físicos para se propagarem, por
isso conseguem viajar no vácuo absoluto (GRIFFITHS, 2017). Em
circuitos de RF são comumente transportadas por fios, conhecidos
como linhas de transmissão.
= 1
( × ). (2.20)
2.3.2 Linhas de Transmissão
As linhas de transmissão são circuitos com reatância à passagem da
corrente alternada que varia inversamente com a frequência de
operação. Isso significa que a baixas frequências as linhas
comportam-se como curto circuitos, porém, a altas frequências
devido ao comprimento de onda do sinal e capacitância dos fios as
linhas possuem comportamentos particulares, que devem ser levados
em consideração. As linhas de transmissão são classificadas como
simétricas e assimétricas. Linhas simétricas são compostas de dois
fios paralelos, os fios transportam o sinal de RF com uma defasagem
entre um e outro de 180o. A linha é balanceada porque ambos os
cabos não estão ligados diretamente ao terra, o isolamento é feito
por plástico, mas também pode ser feito pelo ar. Exemplo deste tipo
de linha de transmissão são cabos antigos usados como linha de
transmissão para os televisores. Linhas assimétricas os dois
condutores são desiguais e concêntricos. O condutor central a linha
transporta o sinal de rádio frequência, enquanto o condutor externo
está conectado ao potencial do terra e serve de blindagem. Entre os
condutores a um material dielétrico feito geralmente de
polietileno, porém, também há cabos com isolamento a ar (COLLIN,
1985). A fita e o cabo são linhas na qual o sinal RF a ser
transportado vai de alguns hertz a 4 GHz. Acima disso,
indiferente
Capítulo 2. Revisão Bibliográfica 37
do tamanho da linha a impedância torna o sinal muito atenuado e
deixa de ser viável. Assim acima dessa frequência comumente é usado
um guia de onda. Atualmente o guia de onda com maior crescimento
são as fibras ópticas. Esse é um exemplo de guia de onda
assimétrico, o sinal transportado não mais é elétrico, mas sim um
sinal transportado com a luz. A fibra óptica além de poder
transmitir uma quantidade alta de informações, também é imune a
interferências externas, fato decorrente em sistemas de rádio
frequência.
2.3.3 Condutores e Isolantes
Metal são os materiais condutores convencionais de antenas que
possuem alta condu- tividade. Os metais mais comumente usados são o
cobre e o alumínio. O tamanho do condutor no projeto da antena é
determinado por muitos fatores. Alguns dos fatores importantes são
as perdas ôhmicas permitidas e os efeitos de aquecimento
resultantes em alguns casos, requisitos de resistência mecânica,
peso admissível, efeitos de indutância elétrica, capacitância
(LONG; BLAKE, 2009). Os materiais isolantes devem ser usados entre
diferentes partes da antena para evitar curto-circuito nas tensões
de RF entre as diferentes partes e entre os condutores e o terra.
Poliestirenos e outros plásticos são materiais de “baixa perda”.
Placas de circuitos impressos dependem de baixa perda em isolantes
elétricos (LONG; BLAKE, 2009).
2.4 Antenas Por uma simples definição, antena é um dispositivo que
irradia para o espaço livre
no caso de transmissora ou recebe do espaço livre no caso de
receptora ondas EM de rádio frequência. Há diversos tipos de
antenas, de forma geral seu tamanho é relacionado ao com- primento
da onda EM, assim quanto maior sua frequência menor o tamanho da
antena e maior deve ser a precisão dos dispositivos. Para projetar
uma antena, vários fatores básicos de projeto como tamanho,
materiais, alimentação, polarização e frequência de operação de-
vem ser levados em consideração, já que cada projeto corresponde a
uma aplicação específica (BALANIS, 2012).
2.4.1 Dimensão das Antenas
A dimensão de uma antena é um dos fatores de projeto que afeta
diretamente o seu desempenho. Existe uma proporcionalidade entre o
tamanho da antena e o comprimento de onda da frequência de operação
que ela trabalha. Assim, existe uma relação entre o tamanho da
antena com a frequência de operação, o ganho, largura de banda,
entre outros parâmetros. Um estudo foi realizado como em (AZEVEDO,
2007) para mostrar o efeito do tamanho da antena no ganho, largura
de banda e eficiência.
Capítulo 2. Revisão Bibliográfica 38
2.4.2 Frequência de operação
Frequência de operação é a faixa de frequência onde a perda de
retorno é a menor possível. A frequência de operação de uma antena
depende da aplicação da própria antena. Como por exemplo, na
aplicação para redes Wi-Fi, a frequência de operação ou a banda de
frequência é de 2,4 GHz e 5 GHz, na qual em termos de padrões de
rede IEEE, utiliza o padrão IEEE 802.11 (BIANCHI, 2000). Os padrões
de rede IEEE 802.11 indicarão que a freqüência de operação de 2,45
GHz e 5,8 GHz é a norma atual e comum para redes locais sem fio que
a maioria das pessoas chamam de Wi-Fi. Nas antenas a onda incidente
e onda refletida se interferem uma com a outra e formam uma onda
estacionária. O comprimento de onda que a antena irá operar é
devido a distancia na qual a onda viaja durante um ciclo, e a sua
frequência de operação dada pela relação dessa distância com a
velocidade que a onda se propaga. Podemos ver a relação entre
comprimento de onda, velocidade de propagação e frequência pela eq.
(2.21). Observando o caso de uma antena dipolo a onda irá viajar em
duas linhas, ambas compostas com o comprimento de 1/4 de , porém,
observando o comprimento total na qual a onda viaja será metade do
comprimento de onda como observado na Figura 18. Essa antena é
conhecida como dipolo de meia onda (BALANIS, 2012). Os extremos da
antena são circuitos abertos, assim, há um máximo de tensão em
módulo e um mínimo de corrente (corrente zera nos extremos). No
centro há o ponto de alimentação da antena, portanto a corrente é
máxima e a tensão é zero. Devido a distribuição das correntes nessa
antena sua impedância deveria ser nula. Porém, devido a energia
irradiada (que não é refletida de volta a entrada da antena), nunca
chega a haver um cancelamento completo da tensão. Assim, a
impedância de entrada é de 73 Ω para esta antena (AZEVEDO,
2007).
Figura 18 – Propagação de um ciclo da onda na antena dipolo.
=
. (2.21)
2.4.3 Frequência de Operação da Antena em Formato E.
Primeiramente o método usado para o projeto da antena E é baseado
em uma antena microstrip retangular com duas fendas. A antena
retangular é baseada em modelo padrão na qual é definido o
comprimento L e largura W de acordo com a frequência de ressonância
desejada, constante dielétrica e espessura do substrato. A largura
da trilha é dado pela eq. (2.22)
= 1 2
+ 1 , (2.22)
onde c é a velocidade da luz no vácuo. é a constante dielétrica do
substrato. f é a frequência de ressonância.
A constante dielétrica efetiva do substrato é dada pela eq.
(2.23)
= + 1 2 + − 1
2 ( 1√ 1 + 12
2.4.4 Largura de Banda
Existem duas categorias de requisitos de largura de banda que são a
largura de banda instantânea e a largura de banda sintonizável.
Largura de banda instantânea refere-se à circunstância em que a
antena é necessária para lidar com frequências de banda larga si-
multaneamente, enquanto a largura de banda sintonizável se refere à
faixa de frequências quando é coberta por um período de tempo, mas
às vezes o requisito de largura de banda é apenas uma fração do
tempo de exigência (LONG; BLAKE, 2009). No entanto, até mesmo a
largura de banda de exigência não é tão elevado em comparação com
outros parâmetros, mas às vezes é desejável para atendê-lo sem
exigir ajustes a serem feitos. Como afirmado em (YADAHALLI; SHETTI
et al., ), ao controlar a largura de banda da antena, uma única an-
tena funcionaria para as configurações de banda larga e banda
estreita, fornecendo a rejeição de sinais indesejados com o
hardware da antena. Muitos estudos foram realizados em termos de
controle de largura de banda ou aumento de largura de banda para
uma antena, conforme relatado em (LONG; BLAKE, 2009) (AHMED; SEBAK;
DENIDNI, 2010).
2.5 Padrão de Radiação da Antena O padrão de radiação de uma antena
é uma de suas propriedades básicas e muitos de
seus parâmetros de desempenho e estão particularmente relacionados
a diversos aspectos do
Capítulo 2. Revisão Bibliográfica 40
padrão. Como todos os demais campos eletromagnéticos sua fonte é um
arranjo de cargas. Porém, essas cargas necessariamente devem estar
em movimento, ou seja, carga em repouso não gera ondas
eletromagnéticas (nem mesmo uma corrente estacionária). E preciso
acelerar essas cargas e assim gerar uma onda eletromagnética
(GRIFFITHS, 2017). Vamos pensar no caso da antena dipolo. As cargas
viajam da fonte até a extremidade de cada linha, após isso retornam
a fonte. Assim o campo elétrico é variável e está o tempo todo
acelerando e desacelerando as cargas o que gera consequentemente um
campo magnético também variá- vel. O campo elétrico e o magnético
não ficam simplesmente confinados, eles também são irradiados ao
espaço sob a forma de ondas eletromagnéticas. Uma vez estabelecidas
essas ondas propagam-se até o "infinito"e transportam-se consigo
energia que cada vez se afasta mais da fonte. A intensidade dos
campos em qualquer ponto depende da distancia entre este ponto e a
fonte geradora da onda. Segundo a lei de Coulomb (campos
eletrostáticos) e a lei de Biot-Savart (campos magnetostáticos) os
campos caem com o inverso da distância ao quadrado. Como o vetor de
poynting é o produto vetorial desses campos sua intensidade cai com
1/r4 no caso de configurações estáticas, de forma que essas fontes
estáticas não irradiem (GRIFFITHS, 2017). Porém, campos dependentes
do tempo que envolvem e J caem apenas com o inverso da distância e
são esses os termos responsáveis pela radiação eletromagnética.
Assim, deve-se escolher e na caem com 1
a grandes distancias da fonte.
2.5.1 Radiação de Dipolo Elétrico
Em uma antena dipolo com cada trilha com o comprimento d a carga em
cada extre- midade no tempo t será ± q(t). A carga oscila de uma
extremidade a outra com frequência e pode ser descrito como a eq.
(2.24), assim como são duas cargas o seu dipolo oscilante pode ser
escrito como na eq. (2.25)
() = (), (2.24)
() = (), (2.25)
onde p = q(t)d.
Algumas condições devem ser levadas em consideração para que o
potencial elétrico seja definido:
d « r (distancia do comprimento dos braços do dipolo deve ser muito
menor que o ponto avaliado, ou seja, a distancia de separação deve
ser muito pequena).
d « c/ (o comprimento do dipolo deve ser muito menor que o
comprimento de onda).
Capítulo 2. Revisão Bibliográfica 41
A manipulação das equações são feitas sucintamente por (GRIFFITHS,
2017).
2.6 Ganho
2.6.1 Diretividade
O diagrama de radiação das antenas determina se há uma região
(direção e sentido) na qual o sinal tem um ganho maior ou se a
antena radia igualmente em todas as direções. No caso antenas que
radiam em todas direções são conhecidas como omnidirecionais, seu
padrão de radiação pode ser observado na Figura 19 (a). Na Figura
19 (b) é visto o padrão de radiação de uma antena direcional.
(a)
(b)
Figura 19 – Exemplo e padrão de radiação. (a) Antena
omnidirecional, (b) Antena direcional.
O fato da antena ser omni ou direcional é importante para atender
os objetivos do projeto, diversas antenas necessitam radiar em
todas as direções como por exemplo a antena do celular, e outras
necessitam radiar em apenas uma direção específica como no caso
de
Capítulo 2. Revisão Bibliográfica 42
antenas de rádio satélites. Nesse caso antenas direcionais
canalizam a energia a ser emitida em uma região específica de
interesse. Como por exemplo, uma antena de rádio satélite que envia
o sinal da tv a cabo, esta antena fica o tempo todo apontada para o
satélite, assim não há sentido que essa antena não fosse uma antena
direcional, uma vez que parte do sinal iria no sentido contrário ao
satélite o que não é de interesse e gasta menos potência cobrindo
apenas uma região que interesse.
A medida da diretividade da antena pode ser obtida diretamente do
diagrama de radiação. No lóbulo central se mede o angulo entre dois
pontos de cada lado onde a intensidade do campo decaiu 3 dB no
máximo. Podemos observar na Figura 20 o caso de uma antena
unidirecional, ou seja, que tem uma direção preferencial. Uma
antena dipolo de 1/2 tem
Figura 20 – Largura do Feixe. (BALANIS, 2012)
o ganho de +2 dB. Porém, para ganho usamos a unidade dBi, assim a
antena dipolio de 1/2 tem o ganho de +2 dBi. O índice "i"quer dizer
que o ganho está sendo medido com referencia a antena isotrópica
(BALANIS, 2012). Antenas analógicas de tv, chegam a ter ganhos
direcionais de de +20 dBi, porém, as usadas no projeto podem chegar
a +4 dBi.
Capítulo 2. Revisão Bibliográfica 43
2.6.2 Eficiência da Antena
Como as antenas são usadas em sistemas como receptoras ou emissoras
seu ganho, ou melhor, a eficiência da antena para transformar a
energia que chega aos seus terminais de entrada em energia
irradiada, deve ser levadas em consideração. O ganho é definido
como a diretividade reduzida pelas perdas na antena em consideração
e na antena de referência. A definição do IEEE em (ELECTRICAL et
al., 1993) afirma que o ganho é a razão da intensidade de radiação
em uma dada direção à intensidade de radiação que seria obtida se a
potência aceita pela antena fosse irradiada isotropicamente. Ganho
reflete o fato de que as antenas reais não se comportam dessa
maneira e parte da energia de entrada é perdida na antena. Em
geral, a potência de entrada, não aparece como potência irradiada e
é absorvida na antena e nas estruturas para a definição de
eficiência de radiação, conforme indicado na Figura 21.
Figura 21 – Terminais de referencia, a antena e a representação das
perdas. (BALANIS, 2012)
No geral a eficiência de uma antena pode ser escrito como na eq.
(2.26)
0 = , (2.26)
Onde e0: é a eficiência total. e: é a eficiência refletida. e é a
eficiência de condução. e é a eficiência de dielétrico.
A eficiência total da antena é o resultado após perdas nos
terminais de entrada e estruturas da antena, devido as reflexões
por causa da incompatibilidade entre a linha de transmissão e a
antena e também perdas por condução e dielétrico. Geralmente as
perdas por condução e dielétrico são difíceis de ser computados,
muito menos separadas uma da outro, e são obtidos experimentalmente
(BALANIS, 2011).
Capítulo 2. Revisão Bibliográfica 44
2.6.3 Ganho
O ganho trata-se de uma medida útil que descreve o desempenho de
uma antena. Apesar de estar relacionado com a diretividade da
antena é uma medida que leva em conta a eficiência da antena e sua
capacidade direcional, portanto é controlado pelo padrão de
radiação. Em si o ganho é definido como a razão da intensidade em
uma dada direção pela intensidade que seria obtida se a potência de
entrada da antena fosse irradiada isotropica- mente. Essa
intensidade corresponde a potencia irradiada isotropicamente é
igual a potência aceita dividida por 4. O ganho é então expresso
como na eq. (2.27)
= 4 Potencia radiada
. (2.27)
O ganho máximo de uma antena é igual a sua característica puramente
direcional de diretividade máxima multiplicada pela eficiência da
radiação, como descrito na eq. (2.28)
= (, ). (2.28)
O máximo ganho é relacionado a máxima diretividade como na eq.
(2.29)
0 = (, )| = (, )| = . (2.29)
Além disso, o ganho não inclui perdas decorrentes de
incompatibilidade de impedância e polarização. Em qualquer direção,
seu ganho é igual à sua diretividade se a antena estiver sem perdas
dissipativas. Enquanto isso, a direção da intensidade máxima de
radiação está implícita se a direção não for especificada
45
3 Metodologia
3.1 Fluxograma do Projeto Na Figura 22 segue o fluxograma com os
detalhes a serem seguidos na construção do
projeto. A primeira etapa ”1 - a” consiste na simulação dos
dispositivos. Os dispositivos foram modelados baseando sua
estrutura física (dimensões, dopagem e orientação) em dispositivos
reais.
Após modelados, na etapa ”2 - a” o desempenho dos dispositivos é
verificado, testes elétricos de polarização e pequenos sinais são
aplicados. Na etapa ”3 - a” caso o dispositivo se comporte como uma
chave, ou seja, caso as simulações tenham chegado a resultados que
demonstram mudança na resistência devido a incidência luminosa,
então podemos passar à etapa ”4 - a”, do contrário, deve-se
retornar à etapa ”1 - a” e novos projetos devem ser feitos.
Na etapa ”4 - a” é realizada a fabricação dos dispositivos com as
propriedades antes simuladas. Após a fabricação, alguns
dispositivos foram clivados e caracterizados. A caracteri- zação é
representada pela etapa ”6 - a”. Após caracterização deve-se
observar se o dispositivo obteve a especificação desejada, como
indicado na etapa ”5 - a”. Caso o dispositivo se com- porte como
uma chave óptica, então ele já está pronto para ir para a etapa 7,
do contrário a fabricação deve ser refeita.
A segunda parte do projeto consiste nas etapas indicadas em b.
Essas etapas consistem em projetar e fabricar as antenas.
Primeiramente, as antenas são simuladas como indicado na etapa ”1 -
b”. Após isso caso haja efeito de reconfiguração da banda de
frequência, o modelo já pode ser fabricado. Caso não seja observado
o efeito de reconfiguração a antena deve ser remodelada. O processo
de fabricação ocorre na etapa ”4 - b”.
Após fabricada a antena, primeiramente os testes de reconfiguração
são feitos com um dispositivo LDR (light dependent resistor), para
que o modelo seja validado conforme feito pelas simulações. Na
etapa ”6 - b”, caso haja êxito, ou seja, os testes estarem
demonstrando que a antena reconfigura sua frequência de operação do
estado desligado para o estado ligado do LDR, conforme observado
nas simulações, então, podemos passar para a etapa ”7”, do
contrário a antena deve ser novamente modificada e fabricada.
Capítulo 3. Metodologia 46
3.2 Chaves ópticas baseadas em dispositivos semicondutores As
chaves projetadas para comutação da frequência de operação das
antenas foram
baseadas em dispositivos semicondutores controlados por luz de um
laser. Basicamente, cada dispositivo semicondutor possui uma
resistividade elétrica devido ao seu material e dopagem. Porém, ao
dispositivo ser iluminado pela luz do laser, há um efeito de
fotogeração de portado- res (SZE; NG, 2006), efeito que modifica a
resistividade do dispositivo. Para cada dispositivo foram definidos
dois estados baseados em sua resistividade, antes e após a
incidência de luz do laser, assim foi definido o estado desligado e
ligado para quando o dispositivo estivesse sem e com a iluminação
da luz do laser, respectivamente, como feito em (ARISMAR et
al.,
Capítulo 3. Metodologia 47
2013), (TAWK et al., 2010) e (CHRISTODOULOU et al., 2012).
3.3 Simulações As simulações dos dispositivos foram baseadas no
projeto de três chaves semiconduto-
ras. Duas chaves são fotorresistores, uma possui os eletrodos na
posição horizontal e a outra na posição vertical, sendo nomeadas de
”dispositivo horizontal” e ”dispositivo vertical”, res-
pectivamente. A terceira chave é baseada em um diodo PN. Todos os
dispositivos simulados foram baseados em estruturas possíveis de
serem fabricadas no Centro de Componentes Semi- condutores e
Nanotecnologias (CCSNANO, 2017). Os dispositivos foram simulados
usando-se as ferramentas Athena e Atlas do software Silvaco TCAD
(SILVACO, 2000).
3.3.1 Dispositivo horizontal
O fotorresistor horizontal foi projetado usando um substrato de Si
com orientação cristalina (100), tipo p dopado com boro com a
concentração de 1013 cm-3. Sua área de absorção da luz do laser é
de 1,0 x 2,0 mm2 e o substrato tem 300 m de espessura. O
dispositivo horizontal tem dois eletrodos de alumínio (Al) de 1 m
de espessura depositados no topo do substrato de Si. Detalhes são
mostrados na Figura 23(a). A dopagem do substrato do dispositivo
horizontal em um segundo teste foi variada de 1013 cm-3 a 1018 cm-3
de forma a verificar seus efeitos na eficiência do
dispositivo.
3.3.2 Dispositivo vertical
O fotorresistor vertical também foi projetado usando substrato de
Si com orientação cristalina (1 0 0) de tipo p dopado com boro com
a concentração de 1013 cm-3. Sua área de absorção da luz é de 1,0 x
2,0 mm2 e o substrato tem 300 m de espessura. Seus eletrodos de
alumínio (Al) foram depositados um no topo do substrato de Si e o
outro na parte inferior do substrato, ambos com 1 m de espessura.
Detalhes são mostrados na Figura 23(b).
3.3.3 Diodo PN
O fotodiodo PN foi projetado com uma região de dopagem p longa,
aproximadamente 300 m. Essa região foi construída com o próp