UNIVERSIDADEESTADUALDECAMPINAS …repositorio.unicamp.br/jspui/bitstream/REPOSIP/334377/1/... · 2019. 7. 12. · Agência(s) de fomento e nº(s) de processo(s): CNPq, 134830/2016-4;

UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINASFaculdade de Engenharia Elétrica e de Computação

Felipe Henrique de Souza da Fonseca

Antenas reconfiguráveis por dispositivossemicondutores fotossensíveis

Campinas2019

UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINASFaculdade de Engenharia Elétrica e de Computação

Felipe Henrique de Souza da Fonseca

Antenas reconfiguráveis por dispositivos semicondutoresfotossensíveis

Dissertação apresentada à Faculdade de Enge-nharia Elétrica e de Computação da Univer-sidade Estadual de Campinas como parte dosrequisitos exigidos para a obtenção do títulode Mestre em Engenharia Elétrica, na Área deEletrônica, Microeletrônica e Optoeletrônica.

Orientador: Prof. Dr. Roberto Lacerda de Orio

Co-orientador Prof. Dr. Leandro Tiago Manera

Este exemplar corresponde à versãofinal da dissertação defendida peloaluno Felipe Henrique de Souza daFonseca, e orientada pelo Prof. Dr.Roberto Lacerda de Orio

Campinas2019

Agência(s) de fomento e nº(s) de processo(s): CNPq, 134830/2016-4; CNPq

Ficha catalográficaUniversidade Estadual de Campinas

Biblioteca da Área de Engenharia e ArquiteturaRose 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 deCampinas. Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação. IV. Título.

Informações para Biblioteca Digital

Título em outro idioma: Reconfigurable antennas by photosensitive semiconductor devicesPalavras-chave em inglês:AntennasSemiconductor devicesÁrea de concentração: Eletrônica, Microeletrônica e OptoeletrônicaTitulação: Mestre em Engenharia ElétricaBanca examinadora:Leandro Tiago Manera [Coorientador]José Alexandre DinizMarco Aurélio Cazarotto GomesData de defesa: 30-01-2019Programa de Pós-Graduação: Engenharia Elétrica

Powered by TCPDF (www.tcpdf.org)

COMISSÃO JULGADORA - DISSERTAÇÃO DE MESTRADO

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 Salvida Fonseca e aos meus irmãos que sempre me apoiaram e são a base para eu ter chegado atéaqui. Ao Prof. Dr. José Alexandre Diniz pelas ótimas aulas e conselhos ao projeto. Agradeçoao técnico Alexandre Kume que me auxiliou nas medidas experimentais no Laboratório deSoluções Eletrônica e RF (LSERF). Também gostaria de agradecer ao Prof. Dr. LeandroTiago Manera e ao Prof. Dr. Roberto Lacerda de Orio que me motivaram e me deram umaótima oportunidade na realização do trabalho. Por último gostaria de agradecer ao apoiodo Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) pelo suportefinanceiro e incentivo à pesquisa.

“Somos quem podemos serSonhos que podemos ter”

(Humberto Gessinger)

ResumoNo presente trabalho foram projetadas três antenas opticamente reconfiguráveis para apli-cações sem fio e investigados três possíveis chaves fotocondutoras baseadas em dispositivosde silício. A tecnologia de antenas reconfiguráveis é baseada na habilidade dessas antenasirradiarem em diferentes frequências ou polarização de acordo com o estado de comutaçãorequerido. Para cada estado de reconfiguração há uma redistribuição das correntes em suaestrutura, o que modifica suas propriedades de irradiação. A tecnologia tem recebido atençãonos últimos anos, uma vez que uma única antena pode trabalhar em frequências multibandae alterar a dinâmica de suas características de transmissão e recepção conforme a necessidadede uso.

Este trabalho possui o desafio de implementar mudanças nos elementos radiantes, conformehaja mudança nos estados dos elementos de comutação. A reconfiguração das antenas éfeita por chaves ópticas implementadas com dispositivos fotocondutores de silício. As chavespossuem dois estados de comutação, ligado e desligado conforme expostas ou não a luz deum laser. Foram projetados dois tipos de fotorresistores (fotoresistor horizontal e vertical)e um fotodiodo. O estudo das chaves foi baseado em simulações numéricas. O fotorresistorvertical tem a maior variação de resistência correspondendo a 51,8 vezes entre o estadodesligado e ligado na faixa de frequência de 5 GHz, sendo assim a melhor escolha comoum interruptor óptico. Além disso, foi também analisado qual comprimento de onda melhorcorresponderia ao projeto. Foram verificados 4 diferentes comprimentos de onda baseando-se em lasers comerciais, sendo 𝜆 = 808 nm o melhor comprimento de onda a ser usado noprojeto. O fotorresistor horizontal foi fabricado e caracterizado.

Foram projetadas, simuladas e fabricadas uma antena dipolo, uma antena em forma de Ee uma antena com fenda em formato de E. Simulações e testes experimentais demonstramque a antena em forma de E opera a 5,7 GHz quando a chave não está iluminada, obtendoa perda de retorno de -17 dB. A antena muda sua frequência para 2,0 GHz quando expostaa luz do laser, obtendo a perda de retorno nessa frequência de -23,9 dB. A antena com afenda 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 a5,8 GHz. Com essa antena foi possível que o sistema operasse em 5,8 GHz com a perda deretorno de -15,8 dB. Quando chaveada para operar em 2,45 GHz, a perda de retorno obtida éde -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.

AbstractIn 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 atdifferent frequencies or polarization according to the required switching state. For each stateof reconfiguration there is a redistribution of the currents in its structure, which modifies itsirradiation properties. The technology has received attention in recent years since a singleantenna can work on multiband frequencies and change the dynamics of its transmission andreception characteristics as needed.

This work has the challenge of implementing changes in the radiant elements, according thereis a change in the states of the switching elements. The reconfiguration of the antennas is doneby optical switches implemented with silicon photoconductive devices. The switches have twoswitching states, on and off depending on whether or not a laser light is exposed. Two typesof photoresistors (horizontal and vertical photoresist) and one photodiode were designed.The switches study was based on numerical simulations. The vertical photoresistor has thegreatest resistance variation corresponding to 51.8 times between the off and on state in the 5GHz frequency band, thus being the best choice as an optical switch. In addition, it was alsoanalyzed which wavelength would best correspond to the design. Four different wavelengthswere verified based on commercial lasers, with 𝜆 = 808 nm being the best wavelength to beused in the design. The horizontal photoresistor was manufactured and characterized.

A dipole antenna, an E-shaped antenna, and an E.-slotted antenna were designed, simulatedand 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 -17dB. The antenna changes its frequency to 2.0 GHz when exposed to laser light, obtaining thereturn loss at that frequency of -23.9 dB. The antenna with the E-slot was designed to meetthe requirements of the ISM band (Industrial Scientific and Medical), which defines that thesystem should operate at 2.45 GHz or 5.8 GHz. With this antenna it was possible for thesystem to operate at 5.8 GHz with the return loss of -15.8 dB. When switched to operate at2.45 GHz, the return loss obtained is -16 dB. Therefore, the E-shaped slotted antenna metISM band requirements.

Keywords: Photoresistor; Photosensitive Semiconductor Device; Reconfigurable Antennas.

Lista de ilustrações

Figura 1 – Exemplos de diferentes modelos de antenas (BALANIS, 2012). . . . . . . 16Figura 2 – Frequência de operação de uma antena. (a) Banda única, (b) banda dupla

(BALANIS, 2012). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17Figura 3 – (a) Antena dipolo, (b) dipolo reconfigurável. . . . . . . . . . . . . . . . . 18Figura 4 – Modelo da antena reconfigurável. Para cada região sensibilizada pelo sinal

de RF na trilha da antena há uma frequência de operação. As mudançasnas áreas sensibilizadas são dependentes do estado do dispositivo, ou seja,desligado ou ligado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

Figura 5 – Modelo esquemático das formas de reconfiguração das antenas baseadosem (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) . . . . . . . . 27Figura 9 – Processo de difusão de portadores devido ao gradiente de concentração

(RAZAVI, 2008). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28Figura 10 – Processo de deriva de lacunas devido ao campo elétrico E (SZE; NG, 2006). 29Figura 11 – Junção PN no silício (RAZAVI, 2008). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29Figura 12 – (a) Junção PN fora do equilíbrio, (b) após difusão de alguns portadores,

(c) após estabelecido o equilíbrio termodinâmico e formado a região dedepleção (RAZAVI, 2008). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

Figura 13 – Diodo polarizado diretamente (RAZAVI, 2008). . . . . . . . . . . . . . . 31Figura 14 – Diodo polarizado reversamente (RAZAVI, 2008). . . . . . . . . . . . . . 32Figura 15 – Curva característica do diodo pn. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32Figura 16 – Exemplo de dispositivos fotocondutores (SZE; NG, 2006). . . . . . . . . 33Figura 17 – Processo de fotogeração de portadores em um diagrama de bandas de um

dispositivo intrínseco e extrínseco (SZE; NG, 2006). . . . . . . . . . . . . 34Figura 18 – Propagação de um ciclo da onda na antena dipolo. . . . . . . . . . . . . 38Figura 19 – Exemplo e padrão de radiação. (a) Antena omnidirecional, (b) Antena

direcional. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41Figura 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. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46Figura 23 – Modelo esquemático dimensões e materiais. (a) fotorresistor horizontal,

(b) fotorresistor vertical. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48Figura 24 – Modelo esquemático dimensões e materiais. (a) fotodiodo, (b) região de

implantação iônica de fósforo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49Figura 25 – Curva exemplo de um fotodiodo recebendo ou não luz. . . . . . . . . . . 50Figura 26 – Modelo da capacitância em paralelo com a resistência do dispositivo semi-

condutor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51Figura 27 – Lâminas de silício tipo n e tipo p com seus respectivos chanfros para iden-

tificação (SWART, 2008). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52Figura 28 – Dopagem da lâmina em função da resistividade (THURBER, 1981). . . . 53Figura 29 – Padrão projetado a ser gravado nas lâminas para definição dos contatos. 53Figura 30 – Processo de construção da máscara para gravação do padrão na lâmina. . 54Figura 31 – Antena dipolo e as indicações dos materiais. . . . . . . . . . . . . . . . . 57Figura 32 – Detalhes do corte na folha metálica e posicionamento do dispositivo. (a)

Sem o dispositivo (b) Com o dispositivo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58Figura 33 – Modelo da chave ideal simulada no HFSS. . . . . . . . . . . . . . . . . . 59Figura 34 – Propriedades do dispositivo real. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60Figura 35 – Modelo esquemático da antena em formato de E. . . . . . . . . . . . . . 60Figura 36 – Detalhes do corte na folha metálica e posicionamento do dispositivo. (a)

Sem o dispositivo e (b) com o dispositivo. . . . . . . . . . . . . . . . . . 61Figura 37 – Modelo esquemático da antena com a fenda em formato de E. (a) parte

superior, (b) parte inferior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62Figura 38 – Materiais utilizados para medida experimental. (a) Laser 532 nm 98 mW,

(b) VNA (Vector Network Analyzer), (c) LDR (light dependent resistor). 63Figura 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. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64Figura 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. . 65Figura 41 – Resistividade em função do log da dopagem para o estado desligado e ligado. 66Figura 42 – Taxa de fotogeração em função da profundidade de penetração para 4

comprimentos de onda em um substrato com dopagem de 1015 cm-3. . . . 67Figura 43 – Dispositivo horizontal recebendo luz com diferentes comprimentos de onda.(a)

400 nm, (b) 532 nm, (c) 790 nm, (d) 808 nm. . . . . . . . . . . . . . . . 67Figura 44 – Corrente (A) versus comprimento de onda (𝜇m). . . . . . . . . . . . . . 68

Figura 45 – Lâmina antes da gravação em (a), pós gravação em (b) . . . . . . . . . . 68Figura 46 – Lâmina pronta em (a) e em processo de caracterização em (b). . . . . . . 69Figura 47 – Dispositivos cortados em (a) e dispositivo de 1x2 mm2 (b). . . . . . . . . 69Figura 48 – Curva I-V. (a) Medida experimental, (b) Simulações. . . . . . . . . . . . 70Figura 49 – Nível de dopagem da lâmina em função da resistividade (SZE; NG, 2006). 71Figura 50 – Curva I-V para o estado desligado (linha preta) e ligado (linha vermelha). 72Figura 51 – Curva I-V para o estado desligado (linha preta) e ligado (linha vermelha). 72Figura 52 – Dopagens na parte superior em (a), dopagem na inferior em (b) da tenta-

tiva de projeto de um diodo PIN. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74Figura 53 – Curva I-V para o estado desligado (linha preta) e ligado (linha vermelha)

de um diodo PIN. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75Figura 54 – Diodo PIN ideal simulado pelo ATLAS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75Figura 55 – Impedância total entre os eletrodos (para o estado desligado em preto e

ligado em vermelho) em função da frequência. . . . . . . . . . . . . . . . 77Figura 56 – Simulação da perda de retorno para a antena dipolo. . . . . . . . . . . . 78Figura 57 – Antena dipolo fabricada com o LDR soldado. . . . . . . . . . . . . . . . 79Figura 58 – Projeto da antena dipolo com o LDR soldado. (a) Estado desligado, (b)

Estado ligado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80Figura 59 – Antena com formato de E fabricada com o LDR soldado . . . . . . . . . 81Figura 60 – (a) Simulação da perda de retorno da antena para diferentes resistividades

da chave óptica. (b) Medidas experimentais da perda de retorno para oestado 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. . . . . . 83Figura 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. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84Figura 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. . . . . . . . . 57Tabela 3 – Dimensão de cada parâmetro da antena em formato de E. . . . . . . . . 61Tabela 4 – Dimensão de cada parâmetro da antena com fenda em formato de E. . . 62Tabela 5 – Propriedades elétricas do LDR informadas pelo fabricante. . . . . . . . . 63Tabela 6 – Comparação entre resistência e resistividade do estado desligado e ligado

das simulações e medidas experimentais. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71Tabela 7 – Impedâncias e capacitâncias para o diodo pn em função da frequência. . 76Tabela 8 – Resistências para o estado desligado e ligado dos dispositivos. . . . . . . 77

Sumário

1 Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161.1 Objetivo do estudo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241.2 Organização da dissertação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

2 Revisão Bibliográfica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252.1 Física de semicondutores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

2.1.1 Materiais semicondutores e suas propriedades . . . . . . . . . . . . . 252.1.2 Propriedades Físicas dos Semicondutores . . . . . . . . . . . . . . . . 252.1.3 Transporte de Carga em Dispositivos Semicondutores . . . . . . . . . 272.1.4 Junção PN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

2.2 Efeito da luz nos dispositivos fotocondutores . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312.2.1 Absorção de Luz e Fotogeração de Portadores . . . . . . . . . . . . . 33

2.3 Circuitos de telecomunicações . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352.3.1 Ondas eletromagnéticas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352.3.2 Linhas de Transmissão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 362.3.3 Condutores e Isolantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

2.4 Antenas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 372.4.1 Dimensão das Antenas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 372.4.2 Frequência de operação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 382.4.3 Frequência de Operação da Antena em Formato E. . . . . . . . . . . 392.4.4 Largura de Banda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

2.5 Padrão de Radiação da Antena . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 392.5.1 Radiação de Dipolo Elétrico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

2.6 Ganho . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 412.6.1 Diretividade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 412.6.2 Eficiência da Antena . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 432.6.3 Ganho . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

3 Metodologia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

3.1 Fluxograma do Projeto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 453.2 Chaves ópticas baseadas em dispositivos semicondutores . . . . . . . . . . . 463.3 Simulações . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

3.3.1 Dispositivo horizontal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 473.3.2 Dispositivo vertical . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 473.3.3 Diodo PN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 473.3.4 Simulações dos testes elétricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

3.4 Fabricação do dispositivo horizontal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 513.5 Testes dos dispositivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 553.6 Projeto das antenas reconfiguráveis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

3.6.1 Projeto da antena dipolo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 563.6.2 Simulações da antena dipolo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 573.6.3 Simulações da antena em formato E . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 593.6.4 Simulações da antena com a fenda em formato de E . . . . . . . . . . 61

3.7 Preparação para as medidas das antenas e materiais . . . . . . . . . . . . . . 624 Resultados dos Dispositivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

4.1 Simulações do dispositivo horizontal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 644.2 Fabricação dos dispositivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

4.2.1 Medidas experimentais do dispositivo horizontal . . . . . . . . . . . . 694.3 Dispositivo Vertical . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 704.4 Diodo PN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

4.4.1 Soluções ao diodo PN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 734.4.2 Impedâncias do diodo PN em função da frequência . . . . . . . . . . 73

4.5 Comparação entre os Dispositivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 765 Resultados das Antenas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

5.1 Antena Dipolo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 785.2 Antena em Formato de E . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 805.3 Antena com a fenda em formato E . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

6 Conclusão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 866.1 Trabalhos Futuros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88

Referências . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

Anexos 93ANEXO A Publicações . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94ANEXO 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 nosúltimos 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 multifuncionalidadede sistemas rápidos e seguros. Antenas reconfiguráveis possibilitam um grande número devantagens civis e militares uma vez que podem fornecem acesso sem fio de alta velocidadee grande fluxo de dados. Para ser possível a alta performance desses sistemas não só oprocessamento de sinais é de fundamental importância, mas também há grande necessidadede se adaptar os hardwares a alta demanda. As antenas são um dos principais componentes desistemas de telecomunicações e desempenham um papel muito importante na determinação dodesempenho dos sistemas sem fio (GUO et al., 2018). As antenas reconfiguráveis representamuma recente inovação e tem recebido atenção nos últimos anos devido à sua flexibilidade paraoperar em frequências multibanda, uma característica importante para as novas tecnologiassem 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 aomeio externo, ou de recepção dessas ondas do meio externo para transformá-las em ondasguiadas para a linha de transmissão. Antenas são componentes eletrônicos dependentes desua 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 naFigura 1, antenas dipolo de fio dependem basicamente do tamanho de seus braços, no casocada braço deve ter o comprimento de 𝜆/4, sendo 𝜆 o comprimento da onda da antena, oqual é inversamente proporcional à frequência de operação. Porém, antenas microstrip queserão abordadas no projeto, sua frequência de operação é dependente do formato, tamanhoe materiais constituintes da antena.

(a)

(b)

Figura 2 – Frequência de operação de uma antena. (a) Banda única, (b) banda dupla (BA-LANIS, 2012).


(a)

(b)

Figura 3 – (a) Antena dipolo, (b) dipolo reconfigurável.

Antenas reconfiguráveis são fabricadas de forma que suas características, como porexemplo, frequência de operação, polaridade ou padrão de radiação possam ser alteradas deacordo com os requisitos do sistema. A Figura 2(a) mostra a característica de uma antena debanda única. Vemos que neste caso a perda de retorno possui um valor mínimo de -22 dB em20 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 antenade banda dupla. Neste caso, há duas regiões onde a perda de retorno é mínima, 20 GHz e22 GHz, portanto a antena pode operar em ambas frequências. Também existem antenas


de múltiplas bandas, na qual há diversas frequências de operação, porém não abordadas noprojeto.

A Figura 3 ilustra o princípio de operação de uma antena reconfigurável cuja mudançade frequência de operação é realizada de forma dinâmica. A Figura 3(a) mostra uma antenadipolo na qual a soma do comprimento L1 de seus dois braços é 1/2𝜆1. Neste caso a antenaterá a frequência de operação f1. Em um segundo caso a antena dipolo tem um braço decomprimento L2 maior que L1. Neste caso o comprimento total da antena será de 1/2𝜆2 e,portanto, sua frequência de operação é f2. Como 𝜆2 > 𝜆1 temos que f1 será maior que f2, comoobservado pela Figura 3(a). No caso de uma antena dipolo reconfigurável, como na Figura3(b), a antena recebe um dispositivo de chaveamento em seus braços. No primeiro caso, odispositivo está desligado, ou seja, funciona como um circuito aberto e o braço da antenapossui o tamanho L1 e a frequência f1. No segundo caso, a chave está ligada, funcionandocomo um curto circuito. O braço da antena terá o comprimento L2 e, portanto, a frequênciade operação f2. Assim, vemos que, a antena reconfigurou sua frequência de operação conformeo tamanho dos braços da antena, controlada pelos dispositivos de chaveamento.

A Figura 4 apresenta uma antena reconfigurável em formato de E. Aqui, quandodesconectado o sinal RF a perda de retorno da antena se mantém em zero. Quando conectadoo sinal RF e o dispositivo de chaveamento está desligado (circuito aberto) apenas a região emvermelho está sensibilizada pelo sinal RF e assim a antena opera em f1. Quando o dispositivo éligado (curto circuito) o braço central da antena também é sensibilizado pelo sinal RF e assima 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 emalterar a região sensibilizada pelo sinal RF usando dispositivos de chaveamento. Abaixo sãoapresentadas 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 (JUNGet al., 2006) (CETINER et al., 2010) e (HUFF; BERNHARD, 2006). Neste sistemamovimentos mecânicos abrem ou fecham circuito na superfície da trilha da antenamudando 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 épolarizado com uma corrente contínua definido como estado ligado ou sem correntecontínua definido como estado desligado, o que causa uma modificação na trilha daantena e com isso causa a modificação das propriedades da antena.


Figura 4 – Modelo da antena reconfigurável. Para cada região sensibilizada pelo sinal deRF na trilha da antena há uma frequência de operação. As mudanças nas áreassensibilizadas são dependentes do estado do dispositivo, ou seja, desligado ouligado.

∙ 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 capacitânciade junção modificando assim as propriedades da antena.

∙ Sistema implementados com elementos fotocondutores (ARISMAR et al., 2013), (CH-


RISTODOULOU et al., 2012), (PRINGLE et al., 2004), (CHAHARMIR et al., 2006) e(PANAGAMUWA; CHAURAYA; VARDAXOGLOU, 2006). A geração de portadoresem um dispositivo semicondutor devido a incidência luminosa altera a condutividadedo 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 etal., 2014). As antenas reconfiguráveis podem ser classificadas dentro de 4 diferentes categorias:

∙ Frequência: Estrutura radiante capaz de mudar sua frequência de operação alterandoa 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 umamudança nas distribuição de correntes, mudança na alimentação, mudança na estrutura físicaou nas bordas de irradiação da antena. É importante notar que, uma vez feito alguma dessasmudanças, o campo eletromagnético radiado da antena é modificado, alterando característicascomo o padrão de radiação e a frequência de operação. Portanto é importante projetar a


antena de forma que esse problema seja minimizado. Diversas vantagens no uso de antenasreconfiguráveis são resumidos em (BALANIS, 2011), (YANG et al., 2009), (BROWN, 1998).

∙ Suporte a diversos padrões de rede sem fio:

– Baixo custo;

– Integração a dispositivos móveis;

∙ Capacidades multifuncionais:

– Sistema dinâmico;

– Pode atuar como único elemento ou múltiplos;

– Operação com banda estreita ou banda larga;

Apesar das antenas reconfiguráveis apresentarem forte potencial a integrarem futurasgerações de redes sem fio, sua implementação pode trazer um aumento nos custos devido aosseguintes 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 projetadauma antena microstrip consistindo de um anel externo conectado a uma fonte e a uma tiracircular 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 ambasas seções da antena são alimentadas e uma nova ressonância ocorre em 12 GHz. Uma antenacom fenda em forma de E é investigada em (ARISMAR et al., 2013), como visto na Figura6(b). O acoplamento magnético é feito por um terra que consiste em uma tira impressa naparte inferior da antena. A tira é conectada a um fotorresistor de silício intrínseco, que éresponsável por alterar a frequência de operação quando iluminado ou não com a luz de umlaser.


(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 fotocondutoraspara 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 decircuitos integrados. Suas estruturas foram projetadas e simuladas pelo software SILVACOTCAD (MANUAL, 2000). O software usa computação numérica com a finalidade de cons-truir estruturas físicas baseadas em materiais semicondutores, isolantes e condutores. Asestruturas são criadas de forma a serem semelhantes a dispositivos fabricados. É possívelpelo software simular o processo de construção do dispositivo, começando pela obtenção dalâmina, 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 detestes elétricos como de polarização, ou de pequenos sinais, incidência luminosa, cálculo decampo elétrico e magnético dentre outros. No projeto os fotorresistores foram baseados emdispositivos 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 foramfabricados, testados e seus modelos validados conforme obtidos pelas simulações. Por últimoforam projetadas, simuladas e testadas duas antenas, a antena dipolo e a antena em formade 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 opapel fundamental de trabalharem como chaves controladas pela incidência luminosa. Porém,


no HFSS não é possível reproduzir tal teste, assim,as características dos dispositivos antestestadas devem ser introduzidas na simulação das antenas conforme os resultados obtidospelas simulações no SILVACO. Testes experimentais da perda de retorno foram realizadospara validar o projeto das antenas reconfiguráveis propostas. Os resultados experimentais edas simulações estão em boa concordância, mostrando que foi possível observar as antenasreconfigurando 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 bandasde frequência.

1.1 Objetivo do estudo

∙ Simulação e fabricação de dispositivos semicondutores e estudo de suas característicaselétricas submetidos ou não a aplicação de luz. Estudo de seus comportamentos comochaves ópticas.

∙ Estudo e desenvolvimento de duas antenas opticamente reconfiguráveis, na qual suasfrequências 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 dissertaçãoO texto do projeto foi organizado conforme descrito abaixo:

Capitulo 1 Neste capítulo é apresentado uma breve introdução do que se trata antenasreconfiguráveis, como os dispositivos atuam como chaves e também o que são essesdispositivos.

Capitulo 2 Breve análise teórica e modelagem do projeto.

Capitulo 3 Descrição sucinta dos detalhes das simulações, testes e gráficos desenvolvidosno 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 Revisão Bibliográfica

2.1 Física de semicondutores

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 comoo 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 popularmentecomo areia (GREENWOOD; EARNSHAW, 1984). Portanto, o elevado uso do silício tem ummotivo preliminar devido a sua facilidade de obtenção e custo de operação. Basicamente hápropriedades 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, nemsempre o material com propriedades mais adequadas é viável ao projeto por possuírem, porexemplo, 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 arede 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 oselétrons ficam livres para se moverem (STREETMAN; BANERJEE, 2016). Uma ilus-tração da geração do par elétron-lacuna é mostrada na Figura 7. Quando rompida umaligação covalente um elétron é liberado. O elétron liberado deixa um ”vazio” chamadode buraco ou lacuna. Esse elétron e a lacuna liberadas estão livres para se deslocar pelarede cristalina (STREETMAN; BANERJEE, 2016).

∙ Energia de banda proibida (Bandgap "E𝐺") (SZE; NG, 2006): Em resumo, é a energianecessária para que haja rompimento da ligação covalente. A condutividade do materialestá 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 édado pela eq. (2.1) (SEDRA; SMITH, 1998)

𝑛𝑖 = 5, 2 × 1015𝑇 3/2 exp(︂−𝐸𝐺

2𝑘𝑇

)︂, (2.1)

onde k é chamada de constante de Boltzmann e T é a temperatura. Para condutoresE𝐺 é pequena, para isolantes E𝐺 é alta (do diamante é em torno de E𝐺 = 2,5 eV) epara semicondutores E𝐺 possui um valor intermediário, geralmente de 1 a 1,5 eV (dosilício é em torno de 1,2 eV) (RAZAVI, 2008).

∙ Semicondutor intrínseco: É aquele na qual o material encontra-se "puro", ou seja, livrede demais ”impurezas” em sua estrutura que modificam as propriedades do material.Semicondutores intrínsecos possuem resistividade elevada e a quantidade de elétrons elacunas 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 devalência do material intruso com a do material intrínseco. Por exemplo, na Tabela 1podemos ver a posição na tabela periódica de alguns elementos comumente usados namicroeletrônica. O silício muitas vezes é dopado com fósforo. O fósforo é pentavalentee o silício tetravalente, assim, quando há introdução de fósforo em substrato de silícioo fósforo faz 4 ligações, o que deixa um de seus elétrons ”sobrando” como podemos verna Figura 8. Com pouca energia este elétron é ”doado” para a estrutura, aumentandoa 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


material, diz-se que este tem dopagem tipo p. Portanto, semicondutores extrínsecospossuem uma condutividade elevada comparada aos intrínsecos, quanto mais dopado omaterial maior será sua condutividade. Para o silício com o número de portadores emtorno de 1.1011 cm−3 temos o material intrínseco e sua resistividade é maior que 3000Ω.cm, porém, por exemplo, com uma dopagem tipo p com boro, a uma concentraçãode 1.1015 cm−3 temos o material extrínseco e a resistividade do material é em torno de10 Ω.cm (SZE; NG, 2006).

Tabela 1 – Elementos mais usados na microeletrônica e suas valências (GREENWOOD;EARNSHAW, 1984).

Valência III IV VElemento 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 podeocorrer devido a injeção ou remoção de portadores de cargas, o que torna a densidadede portadores não uniforme, gerando transporte por difusão. O processo de injeção deportadores 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 nãoestá exposta não irá gerar. Devido essa diferença de concentração ocorrerá a difusãodos portadores para que seja estabelecido o equilíbrio no dispositivo. O movimento das


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 densidadede corrente elétrica devido a difusão de elétrons e lacunas é dada pela eq. (2.2)

𝐽𝑑𝑖𝑓𝑢𝑠ã𝑜 = 𝑞(︃

𝐷𝑛𝑑𝑛

𝑑𝑥− 𝐷𝑝

𝑑𝑝

𝑑𝑥

)︃, (2.2)

onde D𝑛 e D𝑝 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 correnteelétrica devido a uma diferença de potencial entre duas regiões. O campo elétrico geradomove as cargas de uma região a outra, o que em semicondutores é conhecido comomovimento de deriva, como observado na Figura 10. Os portadores de carga aceleramdevido ao campo elétrico, porém ”colidem” com os átomos da rede cristalina duranteseu movimento tendo sua velocidade de deslocamento limitada. Para campos elétricosnão 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 𝜇 dosportadores, como visto pela eq. (2.3)

𝑣 = 𝜇𝐸. (2.3)

A mobilidade é dada em cm2/(V.s). Para o silício a mobilidade do elétrons é aproxi-madamente 𝜇𝑛 = 1500 cm2/(V.s) e a mobilidade de lacunas aproximadamente 𝜇𝑝 =450 cm2/(V.s) (MISHRA; SINGH, 2007). O fato da mobilidade dos elétrons no silícioser superior a mobilidade de lacunas torna os dispositivos com dopagem tipo n maisrápidos que os dispositivos com dopagem tipo p. A densidade de corrente de derivatotal é dada pela eq. (2.4)

𝐽𝑑𝑒𝑟𝑖𝑣𝑎 = 𝑞(𝜇𝑛𝑛 + 𝜇𝑝𝑝)𝐸. (2.4)


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 umdispositivo com dopagem tipo n. O dispositivo mais famoso que usa o efeito de junção PN é odiodo pn, porém, a maioria dos dispositivos como transistores bipolares e MOSFETs tambémpossuem 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. Semaplicação de polarização externa os elétrons do lado n irão difundir para o lado p deixandouma região com os íons positivos próximos a junção. As lacunas do lado p irão difundir parao lado n deixando uma região com íons negativos próximos a junção. Como resultado há aformação da chamada região de depleção, formada por estes íons (SZE; NG, 2006). A região


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 comobarreira de potencial V0 dado pela eq. (2.5)

|𝑉0| =𝑘𝑇

𝑞ln(︃

𝑁𝐴𝑁𝐷𝑛2𝑖

)︃, (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 elétricoexterno V na qual a tensão do lado do cristal p (anodo) é superior a tensão do ladodo cristal n (catodo) como observado na Figura 13. O potencial externo V tem sentidooposto a barreira de potencial V0. Esta polarização gera uma corrente elétrica dadapela eq. (2.6) (SEDRA; SMITH, 1998)

𝐼𝑑 = 𝐼𝑆[︂exp

(︂𝑉

𝑉𝑇

)︂− 1

]︂, (2.6)

onde V𝑇 é conhecida como tensão térmica, dada por kT/q, I𝑆 é conhecida como correntede saturação reversa e é dada pela eq. (2.7)

𝐼𝑆 = 𝐴𝑞𝑛2𝑖(︃

𝐷𝑛𝑁𝐴𝐿𝑛

+ 𝐷𝑝𝑁𝐷𝐿𝑝

)︃, (2.7)


onde A é a área transversal do dispositivo, D𝑛 e D𝑝 são as constantes de difusão, deelétrons e lacunas, respectivamente, L𝑛 e L𝑝 os comprimentos de difusão de elétrons elacunas, respectivamente.

Figura 13 – Diodo polarizado diretamente (RAZAVI, 2008).

∙ Diodo polarizado reversamente: Polarizado reversamente a tensão externa V é maispositiva do lado n do cristal (catodo) que ao lado p do cristal (anodo). Em equilíbrio ocampo elétrico é direcionado do lado n para o lado p o que torna o potencial de barreirainterna ainda maior. Assim ocorrerá ampliação da região de depleção. A tensão externafortalece o potencial interno. A barreira de potencial se torna maior que no caso na qualnão há tensão externa aplicada, barrando o fluxo de corrente. Quanto mais se eleva opotencial externo, maior será a barreira de potencial como visto na Figura 14. A junçãocarrega somente uma corrente reversa insignificante conhecida como corrente reversade 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 fotocondutoresUm dispositivo fotocondutor consiste de uma placa ou filme fino de material semi-

condutor na qual recebe em suas extremidades contatos ôhmicos (SZE; NG, 2006), comoobservado na Figura 16. Quando há incidência de luz no material semicondutor há geraçãode portadores de carga que modificam a condutividade do material. A geração dos portadoresocorre de forma diferente para o material intrínseco ou para o extrínseco. A condutividadedo material intrínseco é dada pela eq. (2.8). Ao ser iluminado é gerado uma quantidade de


Figura 14 – Diodo polarizado reversamente (RAZAVI, 2008).

Figura 15 – Curva característica do diodo pn.


portadores que assim aumentam a condutividade do dispositivo. O comprimento de onda daluz incidente no dispositivo tem grande importância na fotogeração dos portadores. Para queocorra a fotogeração, a luz incidente deve fornecer uma energia no mínimo igual àquela dabanda proibida do semicondutor, dada pela eq. (2.9) (SZE; NG, 2006)

𝜎 = 𝑞(𝜇𝑛𝑛 + 𝜇𝑝𝑝), (2.8)

𝐸𝐺 =ℎ𝑐

𝜆, (2.9)

onde 𝜎 é a condutividade do material, 𝜇𝑛 e 𝜇𝑝 são as mobilidades de elétrons e lacunas,respectivamente e ℎ 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 sãoconsiderados: 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 porunidade de tempo é Popt/ℎ𝜈, sendo Popt a potência óptica incidente e 𝜈 a frequência do fótonincidente. A taxa de fotogeração de portadores por unidade de volume é dada por (SZE; NG,2006)

𝐺𝑒 = 𝑛/𝜏 = 𝜂[︃

(𝑃𝑜𝑝𝑡/ℎ𝜈)𝑊𝐿𝐷

]︃, (2.10)


onde n é a densidade de portadores em excesso, 𝜏 é o tempo de vida dos portadores gerados, 𝜂é a eficiência quântica (número de portadores gerados por fóton) e W, L e D são as dimensõesdo 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)

𝑛 = 𝐺𝑒𝜏. (2.11)

O decaimento com o tempo da concentração de portadores gerados é dado pela eq.(2.12)

𝑛(𝑡) = 𝑁(0) exp(︂−𝑡

𝜏

)︂, (2.12)

onde N(0) é o número de portadores em excesso após a incidência luminosa ser retirada dosemicondutor.

Para o semicondutor intrínseco temos a fotocorrente elétrica nos eletrodos dada pelaeq. (2.13)

𝐼 = (𝜇𝑛 + 𝜇𝑝)𝑛𝑞𝜀𝑊𝐷 (2.13)


onde 𝜀 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)

𝐼 = 𝑞(︂

𝜂𝑃𝑜𝑝𝑡ℎ𝜈

)︂×(︃

(𝜇𝑛 + 𝜇𝑝)𝜏𝜀𝐿

)︃, (2.14)

onde definimos que a fotocorrente primária é dada pela eq. (2.15)

𝐼𝑃 = 𝑞(︂

𝜂𝑃𝑜𝑝𝑡ℎ𝜈

)︂. (2.15)

O ganho de fotocorrente é dado pela eq. (2.16)

𝐺𝑎 =𝐼

𝐼𝑃= (𝜇𝑛 + 𝜇𝑝)𝜏𝜀

𝐿= 𝜏

(︃1

𝑡𝑟𝑛+ 1

𝑡𝑟𝑝

)︃, (2.16)

onde t𝑟𝑛 = (L / 𝜇𝑛𝜀) e t𝑟𝑝 = (L / 𝜇𝑝𝜀) são os tempos de trânsito de elétrons e lacunas entreos eletrodos, respectivamente. O ganho depende do tempo de vida dos portadores em relaçãoao tempo de transição como a eq. (2.16) indica (SZE; NG, 2006).

2.3 Circuitos de telecomunicaçõesBasicamente os circuitos de telecomunicações são compostos por 3 partes fundamen-

tais: transmissores, receptores e canais de comunicação. Os canais de comunicação podemser 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 edados são transformados em sinais elétricos e transmitidos entre os sistemas devido as ondaseletromagnéticas 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 mantemforma fixa e velocidade constante. A forma mais popular de ondas é a senoidal como podeser vista na eq. (2.17)

𝑓(𝑥, 𝑡) = 𝐴𝑐𝑜𝑠(𝑘(𝑥 − 𝑣𝑡) + 𝜑), (2.17)

onde f(x,t) é a função de onda que se desloca em x com velocidade v, A é uma constante eK é conhecido como número de onda na qual se relaciona ao comprimento de onda pela eq.(2.18)

𝜆 = 2𝜋𝐾

. (2.18)


A medida que a onda passa ela se desloca com velocidade v em x com um períodopor ciclo dado pela eq. (2.19) e a frequência o inverso do período.

𝑇 = 2𝜋𝐾𝑣

, (2.19)

Ondas eletromagnéticas (ondas EM) seguem as equações descritas acima, além deterem particularidades que serão discutidas a diante. Quando há corrente em um condutorhá movimento de cargas e portanto há também um campo magnético. Quando há diferençade potencial em um condutor há um campo elétrico. Ondas eletromagnéticas são formadasquando o campo magnético entra em contato com o campo elétrico. Na direção de propagaçãoda onda EM se orienta o vetor de poynting na qual é resultado do produto vetorial do campoelétrico ”E” com o magnético ”B” como mostrado pela eq. (2.20). Ondas eletromagnéticasse propagam no vácuo com velocidade constante de c = 2,99792458.108 m/s. Ondas EMcomo as demais ondas sofrem efeitos de interferência, difração, refração e polarização. Sãocapazes de atravessar meios como o ar, vácuo e até mesmo materiais sólidos. Diferente deondas 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 sãocomumente transportadas por fios, conhecidos como linhas de transmissão.

𝑆 = 1𝜇𝑜

(𝐸 × 𝐵). (2.20)

2.3.2 Linhas de Transmissão

As linhas de transmissão são circuitos com reatância à passagem da corrente alternadaque varia inversamente com a frequência de operação. Isso significa que a baixas frequências aslinhas comportam-se como curto circuitos, porém, a altas frequências devido ao comprimentode onda do sinal e capacitância dos fios as linhas possuem comportamentos particulares, quedevem ser levados em consideração. As linhas de transmissão são classificadas como simétricase assimétricas. Linhas simétricas são compostas de dois fios paralelos, os fios transportamo sinal de RF com uma defasagem entre um e outro de 180o. A linha é balanceada porqueambos 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 cabosantigos usados como linha de transmissão para os televisores. Linhas assimétricas os doiscondutores são desiguais e concêntricos. O condutor central a linha transporta o sinal derádio frequência, enquanto o condutor externo está conectado ao potencial do terra e servede 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 linhasna qual o sinal RF a ser transportado vai de alguns hertz a 4 GHz. Acima disso, indiferente


do tamanho da linha a impedância torna o sinal muito atenuado e deixa de ser viável. Assimacima dessa frequência comumente é usado um guia de onda. Atualmente o guia de ondacom 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 fibraóptica além de poder transmitir uma quantidade alta de informações, também é imune ainterferências 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 condutorno projeto da antena é determinado por muitos fatores. Alguns dos fatores importantes são asperdas ôhmicas permitidas e os efeitos de aquecimento resultantes em alguns casos, requisitosde resistência mecânica, peso admissível, efeitos de indutância elétrica, capacitância (LONG;BLAKE, 2009). Os materiais isolantes devem ser usados entre diferentes partes da antenapara evitar curto-circuito nas tensões de RF entre as diferentes partes e entre os condutorese o terra. Poliestirenos e outros plásticos são materiais de “baixa perda”. Placas de circuitosimpressos dependem de baixa perda em isolantes elétricos (LONG; BLAKE, 2009).

2.4 AntenasPor 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 rádiofrequência. 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 emaior deve ser a precisão dos dispositivos. Para projetar uma antena, vários fatores básicosde 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 seudesempenho. Existe uma proporcionalidade entre o tamanho da antena e o comprimento deonda da frequência de operação que ela trabalha. Assim, existe uma relação entre o tamanhoda 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 daantena no ganho, largura de banda e eficiência.


2.4.2 Frequência de operação

Frequência de operação é a faixa de frequência onde a perda de retorno é a menorpossível. 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 bandade frequência é de 2,4 GHz e 5 GHz, na qual em termos de padrões de rede IEEE, utilizao padrão IEEE 802.11 (BIANCHI, 2000). Os padrões de rede IEEE 802.11 indicarão que afreqüência de operação de 2,45 GHz e 5,8 GHz é a norma atual e comum para redes locaissem fio que a maioria das pessoas chamam de Wi-Fi. Nas antenas a onda incidente e ondarefletida se interferem uma com a outra e formam uma onda estacionária. O comprimento deonda que a antena irá operar é devido a distancia na qual a onda viaja durante um ciclo, ea sua frequência de operação dada pela relação dessa distância com a velocidade que a ondase propaga. Podemos ver a relação entre comprimento de onda, velocidade de propagação efrequência pela eq. (2.21). Observando o caso de uma antena dipolo a onda irá viajar em duaslinhas, ambas compostas com o comprimento de 1/4 de 𝜆, porém, observando o comprimentototal 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 antenasão 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 acorrente é máxima e a tensão é zero. Devido a distribuição das correntes nessa antena suaimpedância deveria ser nula. Porém, devido a energia irradiada (que não é refletida de voltaa entrada da antena), nunca chega a haver um cancelamento completo da tensão. Assim, aimpedância de entrada é de 73 Ω para esta antena (AZEVEDO, 2007).

Figura 18 – Propagação de um ciclo da onda na antena dipolo.

𝑓 = 𝑐𝜆

. (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 antenamicrostrip retangular com duas fendas. A antena retangular é baseada em modelo padrãona qual é definido o comprimento L e largura W de acordo com a frequência de ressonânciadesejada, constante dielétrica e espessura do substrato. A largura da trilha é dado pela eq.(2.22)

𝑊 = 12𝑓𝑅√

𝜇0𝜀0

√︃2

𝜀𝑟 + 1= 𝑐2𝑓𝑅

√︃2

𝜀𝑟 + 1, (2.22)

onde c é a velocidade da luz no vácuo. 𝜀𝑟 é a constante dielétrica do substrato. f𝑅 é a frequênciade ressonância.

A constante dielétrica efetiva do substrato é dada pela eq. (2.23)

𝜀𝑒𝑓𝑓 =𝜀𝑟 + 1

2 +𝜀𝑟 − 1

2 (1√︃

1 + 12ℎ𝑊

). (2.23)

2.4.4 Largura de Banda

Existem duas categorias de requisitos de largura de banda que são a largura de bandainstantânea e a largura de banda sintonizável. Largura de banda instantânea refere-se àcircunstância 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 frequênciasquando é coberta por um período de tempo, mas às vezes o requisito de largura de banda éapenas uma fração do tempo de exigência (LONG; BLAKE, 2009). No entanto, até mesmoa 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 rejeiçãode sinais indesejados com o hardware da antena. Muitos estudos foram realizados em termosde controle de largura de banda ou aumento de largura de banda para uma antena, conformerelatado em (LONG; BLAKE, 2009) (AHMED; SEBAK; DENIDNI, 2010).

2.5 Padrão de Radiação da AntenaO 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


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 repousonão gera ondas eletromagnéticas (nem mesmo uma corrente estacionária). E preciso aceleraressas cargas e assim gerar uma onda eletromagnética (GRIFFITHS, 2017). Vamos pensarno caso da antena dipolo. As cargas viajam da fonte até a extremidade de cada linha, apósisso retornam a fonte. Assim o campo elétrico é variável e está o tempo todo acelerando edesacelerando as cargas o que gera consequentemente um campo magnético também variá-vel. O campo elétrico e o magnético não ficam simplesmente confinados, eles também sãoirradiados ao espaço sob a forma de ondas eletromagnéticas. Uma vez estabelecidas essasondas propagam-se até o "infinito"e transportam-se consigo energia que cada vez se afastamais da fonte. A intensidade dos campos em qualquer ponto depende da distancia entre esteponto e a fonte geradora da onda. Segundo a lei de Coulomb (campos eletrostáticos) e alei de Biot-Savart (campos magnetostáticos) os campos caem com o inverso da distância aoquadrado. Como o vetor de poynting é o produto vetorial desses campos sua intensidade caicom 1/r4 no caso de configurações estáticas, de forma que essas fontes estáticas não irradiem(GRIFFITHS, 2017). Porém, campos dependentes do tempo que envolvem 𝜌 e J caem apenascom o inverso da distância e são esses os termos responsáveis pela radiação eletromagnética.Assim, deve-se escolher �⃗� e �⃗� na caem com 1

𝑟a 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 frequência𝜔 e pode ser descrito como a eq. (2.24), assim como são duas cargas o seu dipolo oscilantepode ser escrito como na eq. (2.25)

𝑞(𝑡) = 𝑞𝑐𝑜𝑠(𝜔𝑡), (2.24)

𝑝(𝑡) = 𝑝𝑐𝑜𝑠(𝜔𝑡)𝑧, (2.25)

onde p = q(t)d.

Algumas condições devem ser levadas em consideração para que o potencial elétricoseja definido:

∙ d « r (distancia do comprimento dos braços do dipolo deve ser muito menor que oponto avaliado, ou seja, a distancia de separação deve ser muito pequena).

∙ d « c/𝜔 (o comprimento do dipolo deve ser muito menor que o comprimento de onda).


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, seupadrão de radiação pode ser observado na Figura 19 (a). Na Figura 19 (b) é visto o padrãode 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 doprojeto, diversas antenas necessitam radiar em todas as direções como por exemplo a antenado celular, e outras necessitam radiar em apenas uma direção específica como no caso de


antenas de rádio satélites. Nesse caso antenas direcionais canalizam a energia a ser emitidaem uma região específica de interesse. Como por exemplo, uma antena de rádio satélite queenvia o sinal da tv a cabo, esta antena fica o tempo todo apontada para o satélite, assimnão há sentido que essa antena não fosse uma antena direcional, uma vez que parte do sinaliria no sentido contrário ao satélite o que não é de interesse e gasta menos potência cobrindoapenas uma região que interesse.

A medida da diretividade da antena pode ser obtida diretamente do diagrama deradiação. No lóbulo central se mede o angulo entre dois pontos de cada lado onde a intensidadedo campo decaiu 3 dB no máximo. Podemos observar na Figura 20 o caso de uma antenaunidirecional, ou seja, que tem uma direção preferencial. Uma antena dipolo de 1/2 𝜆 tem

Figura 20 – Largura do Feixe. (BALANIS, 2012)

o ganho de +2 dB. Porém, para ganho usamos a unidade dBi, assim a antena dipolio de1/2 𝜆 tem o ganho de +2 dBi. O índice "i"quer dizer que o ganho está sendo medido comreferencia a antena isotrópica (BALANIS, 2012). Antenas analógicas de tv, chegam a terganhos direcionais de de +20 dBi, porém, as usadas no projeto podem chegar a +4 dBi.


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 terminaisde entrada em energia irradiada, deve ser levadas em consideração. O ganho é definido comoa 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 daintensidade de radiação em uma dada direção à intensidade de radiação que seria obtida sea potência aceita pela antena fosse irradiada isotropicamente. Ganho reflete o fato de que asantenas reais não se comportam dessa maneira e parte da energia de entrada é perdida naantena. Em geral, a potência de entrada, não aparece como potência irradiada e é absorvidana antena e nas estruturas para a definição de eficiência de radiação, conforme indicado naFigura 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)

𝑒0 = 𝑒𝑟𝑒𝑐𝑒𝑑, (2.26)

Onde e0: é a eficiência total. e𝑟: é a eficiência refletida. e𝑐 é a eficiência de condução. e𝑑 é aeficiência de dielétrico.

A eficiência total da antena é o resultado após perdas nos terminais de entrada eestruturas da antena, devido as reflexões por causa da incompatibilidade entre a linha detransmissão e a antena e também perdas por condução e dielétrico. Geralmente as perdaspor condução e dielétrico são difíceis de ser computados, muito menos separadas uma daoutro, e são obtidos experimentalmente (BALANIS, 2011).


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 contaa eficiência da antena e sua capacidade direcional, portanto é controlado pelo padrão deradiação. Em si o ganho é definido como a razão da intensidade em uma dada direção pelaintensidade que seria obtida se a potência de entrada da antena fosse irradiada isotropica-mente. Essa intensidade corresponde a potencia irradiada isotropicamente é igual a potênciaaceita dividida por 4𝜋. O ganho é então expresso como na eq. (2.27)

𝐺𝑎𝑛ℎ𝑜 = 4𝜋 Potencia radiadaPotencia total de entrada = 4𝜋𝑈(𝜃, 𝜑)

𝑃𝑖𝑛. (2.27)

O ganho máximo de uma antena é igual a sua característica puramente direcional dediretividade máxima multiplicada pela eficiência da radiação, como descrito na eq. (2.28)

𝐺 = 𝑒𝑐𝑑𝐷(𝜃, 𝜑). (2.28)

O máximo ganho é relacionado a máxima diretividade como na eq. (2.29)

𝐺0 = 𝐺(𝜃, 𝜑)|𝑚𝑎𝑥 = 𝑒𝑐𝑑𝐷(𝜃, 𝜑)|𝑚𝑎𝑥 = 𝑒𝑐𝑑𝐷𝑚𝑎𝑥. (2.29)

Além disso, o ganho não inclui perdas decorrentes de incompatibilidade de impedânciae polarização. Em qualquer direção, seu ganho é igual à sua diretividade se a antena estiversem perdas dissipativas. Enquanto isso, a direção da intensidade máxima de radiação estáimplícita se a direção não for especificada

45

3 Metodologia

3.1 Fluxograma do ProjetoNa 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 forammodelados baseando sua estrutura física (dimensões, dopagem e orientação) em dispositivosreais.

Após modelados, na etapa ”2 - a” o desempenho dos dispositivos é verificado, testeselétricos de polarização e pequenos sinais são aplicados. Na etapa ”3 - a” caso o dispositivose comporte como uma chave, ou seja, caso as simulações tenham chegado a resultados quedemonstram mudança na resistência devido a incidência luminosa, então podemos passar àetapa ”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 antessimuladas. 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 dispositivoobteve 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 afabricação deve ser refeita.

A segunda parte do projeto consiste nas etapas indicadas em b. Essas etapas consistemem projetar e fabricar as antenas. Primeiramente, as antenas são simuladas como indicado naetapa ”1 - b”. Após isso caso haja efeito de reconfiguração da banda de frequência, o modelojá pode ser fabricado. Caso não seja observado o efeito de reconfiguração a antena deve serremodelada. O processo de fabricação ocorre na etapa ”4 - b”.

Após fabricada a antena, primeiramente os testes de reconfiguração são feitos com umdispositivo LDR (light dependent resistor), para que o modelo seja validado conforme feitopelas simulações. Na etapa ”6 - b”, caso haja êxito, ou seja, os testes estarem demonstrandoque a antena reconfigura sua frequência de operação do estado desligado para o estado ligadodo LDR, conforme observado nas simulações, então, podemos passar para a etapa ”7”, docontrário a antena deve ser novamente modificada e fabricada.

Capítulo 3. Metodologia 46

Figura 22 – Diagrama das etapas do projeto.

3.2 Chaves ópticas baseadas em dispositivos semicondutoresAs chaves projetadas para comutação da frequência de operação das antenas foram

baseadas em dispositivos semicondutores controlados por luz de um laser. Basicamente, cadadispositivo 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 dispositivoforam definidos dois estados baseados em sua resistividade, antes e após a incidência de luzdo laser, assim foi definido o estado desligado e ligado para quando o dispositivo estivessesem e com a iluminação da luz do laser, respectivamente, como feito em (ARISMAR et al.,


2013), (TAWK et al., 2010) e (CHRISTODOULOU et al., 2012).

3.3 SimulaçõesAs 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 outrana posição vertical, sendo nomeadas de ”dispositivo horizontal” e ”dispositivo vertical”, res-pectivamente. A terceira chave é baseada em um diodo PN. Todos os dispositivos simuladosforam baseados em estruturas possíveis de serem fabricadas no Centro de Componentes Semi-condutores e Nanotecnologias (CCSNANO, 2017). Os dispositivos foram simulados usando-seas 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 orientaçãocristalina (100), tipo p dopado com boro com a concentração de 1013 cm-3. Sua área deabsorção da luz do laser é de 1,0 x 2,0 mm2 e o substrato tem 300 𝜇m de espessura. Odispositivo horizontal tem dois eletrodos de alumínio (Al) de 1 𝜇m de espessura depositadosno topo do substrato de Si. Detalhes são mostrados na Figura 23(a). A dopagem do substratodo dispositivo horizontal em um segundo teste foi variada de 1013 cm-3 a 1018 cm-3 de formaa verificar seus efeitos na eficiência do dispositivo.

3.3.2 Dispositivo vertical

O fotorresistor vertical também foi projetado usando substrato de Si com orientaçãocristalina (1 0 0) de tipo p dopado com boro com a concentração de 1013 cm-3. Sua área deabsorção da luz é de 1,0 x 2,0 mm2 e o substrato tem 300 𝜇m de espessura. Seus eletrodos dealumínio (Al) foram depositados um no topo do substrato de Si e o outro na parte inferiordo substrato, ambos com 1 𝜇m 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, aproximadamente300 𝜇m. Essa região foi construída com o próprio substrato da lâmina, sendo esse diodosimilar aos usados em células solares (SZE; NG, 2006), como mostrado na Figura 24(a). Odispositivo necessita de uma região extensa entre os eletrodos para que toda luz que incidasobre ele possa ser absorvida, provocando a geração de portadores, e assim, corrente elétrica.O fotodiodo possui substrato de Si com a orientação cristalina (1 0 0) do tipo p dopado com


(a) (b)

Figura 23 – Modelo esquemático dimensões e materiais. (a) fotorresistor horizontal, (b) fo-torresistor vertical.

uma concentração de 1015 cm-3 de boro. A região n é criada por implantação iônica de fósforocom dose de 1015 cm-2 e energia de 30 keV. Na Figura 24(a) é mostrado o modelo do diodo.Na Figura 24(b) são mostrados os detalhes da região superior e o nível de concentração defósforo escala logarítmica.

Diodos PN possuem uma curva I-V exponencial baseada na eq. (2.6) e sua curva carac-terística é mostrada na Figura 15. Aplicando uma diferença de potencial entre seus eletrodosem torno de 0 volts sua resistência é elevada, por volta de MΩ. À medida que a tensão entreos eletrodos aumenta, a corrente do diodo aumenta exponencialmente. Para diodos de Si, emtorno de V = 0,7 V a resistência do dispositivo é próxima a poucas dezenas de ohms. Emcircuitos eletrônicos, para que o diodo trabalhe como circuito fechado ele deve ser polarizadodiretamente e para que trabalhe como circuito aberto polarizado reversamente. Porém, comoo trabalho tem o objetivo de não receber polarização elétrica o diodo entrará em conduçãodevido à incidência de luz. Com a incidência de luz o diodo gera portadores devido ao efeitode fotogeração. Os portadores dão origem a uma corrente reversa significativa, deslocandoa curva I-V, como mostrado na Figura 25. Para a polarização em zero volts, enquanto quea corrente reversa no escuro (quando não iluminado) é em torno de nanoamperes, quandoiluminado a corrente chega a miliamperes, ou seja, um valor de corrente várias ordens degrandeza superior. Consequentemente, a resistência do dispositivo muda de MΩ para poucomais de 10 Ω, o que demonstra uma característica de chave controlada pela incidência lu-minosa. O comprimento da luz incidente tem influência na profundidade de penetração e nataxa de fotogeração de portadores, portanto, será discutido qual o melhor comprimento de


onda comercial a ser utilizado no trabalho.

(a)

(b)

Figura 24 – Modelo esquemático dimensões e materiais. (a) fotodiodo, (b) região de implan-tação iônica de fósforo.

3.3.4 Simulações dos testes elétricos

Após definido as estruturas (tipo, orientação cristalina, dopagem e dimensões) dosdispositivos deve-se submetê-las às simulações de testes elétricos.

Os testes elétricos foram feitos para diferentes condições da luz do laser (comprimentode onda (400 a 1100 nm), potência (1 a 200 mW) ou posição (1 a 5 mm). Para cada condi-ção imposta, cada dispositivo apresentava uma resistência elétrica diferente. As simulaçõeselétricas feitas foram:

∙ Solução com corrente contínua para obtenção da resistividade do dispositivo. Este tipode teste elétrico foi feito com a aplicação de diferentes valores de polarização ao dispo-sitivo enquanto a corrente era obtida como resposta da curva I x V.


Figura 25 – Curva exemplo de um fotodiodo recebendo ou não luz.

∙ Solução com corrente alternada, análise de pequenos sinais para obtenção da resistênciado dispositivo e capacitância entre os eletrodos. Com a capacitância é possível calcular areatância capacitiva Z𝐶 pela eq. (3.1). A impedância total do dispositivo Z𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 é obtidapela equivalência em paralelo da resistência com a reatância capacitiva, é dada pelana eq. (3.2), representada pelo modelo da Figura 26. Os testes elétricos de pequenossinais foram realizados com a polarização DC a zero volts. Foi aplicado um pequenosinal AC na frequência desejada. Como a antena foi desenvolvida para trabalhar entre2 a 6 GHz, as simulações começaram na frequência de 1 GHz e foram até 6 GHz compassos de 1 GHz. Para este teste o programa retorna como resultado uma tabela naqual mostra para cada frequência do sinal AC o valor da condutância e capacitânciaentre os eletrodos dos dispositivo.

𝑍𝐶 =1

2𝜋𝑓𝐶 , (3.1)

𝑍𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 =𝑅𝑍𝐶

𝑅 + 𝑍𝐶. (3.2)

onde f é a frequência de operação da antena, C é a capacitância equivalente, R é a resistênciaequivalente do dispositivo.

Todos os testes acima descritos foram feitos em duas condições:

1 - Testes elétricos sem incidência de luz nos dispositivos.


Figura 26 – Modelo da capacitância em paralelo com a resistência do dispositivo semicondu-tor.

2 - Testes elétricos com o dispositivo sob iluminação. Os testes foram realizados usandoum valor fixo de potência baseado em um laser comercial. Para o comprimento de onda, houvetestes com valor de 𝜆 fixo, também baseado em um laser comercial e testes com 𝜆 variável.A intensidade luminosa foi definida em 98 mW. Quando usado o valor fixo, 𝜆 foi de 532 ±10 𝜇m. Assim, todos os resultados do estado ligado dos dispositivos, que não informaremas propriedades da fonte, usaram esta intensidade e comprimento de onda. Para os testescom fonte variável foram feitos diversas simulações na qual a intensidade era constante eo comprimento de onda era variável. A área do dispositivo a qual recebia luz era a partesuperior (a qual também estavam os contatos), definida na Seção 3.3.1.

3.4 Fabricação do dispositivo horizontalNas simulações é possível escolher um valor bem definido para a dopagem do substrato,

porém, na fabricação em laboratório a dopagem depende da garantia dada pelo fabricanteda lâmina e pode variar em até uma ordem de grandeza do valor estipulado. Assim, apósadquirida a lâmina testes devem ser realizados para que o tipo da lâmina e a dopagem sejamcaracterizados.

∙ Tipo de lâmina: Identificada pelo chanfro, como as simulações foram feitas com lâminatipo p orientação cristalina (1 0 0), as medidas experimentais usaram a mesma lâmina,seu chanfro primário deve estar do lado direito da lâmina enquanto o chanfro secundáriodeve estar na parte inferior, conforme a Figura 27.

∙ Dopagem da lâmina: A dopagem da lâmina é identificada após feita a medida de 4


Figura 27 – Lâminas de silício tipo n e tipo p com seus respectivos chanfros para identificação(SWART, 2008).

pontas e medida sua resistividade (SWART, 2008). Não foi possível realizar este testedevido ao equipamento estar inoperante. Assim, a medida de dopagem da lâmina foibaseada na sua resistividade, obtida pelo inverso da reta I-V, e então verificado o nívelde dopagem pela Figura 28 (THURBER, 1981). A resistividade da lâmina é obtida pelaeq. (3.3) levando em consideração que o campo elétrico entre os eletrodos é constante

𝑅 = 𝜌𝐿𝐴

, (3.3)

onde 𝜌 é a resistividade da lâmina.

∙ Definição do padrão de gravação na lâmina: Para fabricação dos dispositivos foi ne-cessário apenas uma máscara na qual foi gravado o padrão dos contatos. O padrão foidefinido em um software gráfico INKSCAPE (BAH, 2009). Foram feitos diversos dispo-sitivos com diferentes comprimentos e larguras, de forma que toda a região da lâminafosse aproveitada. O comprimento da região que recebe o feixe de luz possui 3 mm elargura de 1 mm a 5 mm. Os detalhes são vistos na Figura 29.

∙ Fabricação da máscara para litografia: Como as dimensões dos dispositivos são milíme-tros as máscaras foram feitas com material de baixo custo. A impressão do padrão foifeita em uma impressora (HP Laserjet p4014 1200 dpi) em uma folha plástica transpa-rente comercialmente chamada de "transparência". Após isso a folha foi anexada a umaplaca de vidro de alta resolução, como pode ser visto na Figura 30.


Figura 28 – Dopagem da lâmina em função da resistividade (THURBER, 1981).

Figura 29 – Padrão projetado a ser gravado nas lâminas para definição dos contatos.

∙ Limpeza padrão (SWART, 2008): O primeiro processo a ser feito na lâmina é a lim-peza, responsável de evitar acúmulo de impurezas sobre o silício. A lâmina deve ser


Figura 30 – Processo de construção da máscara para gravação do padrão na lâmina.

submergida nas seguintes soluções:

– H2SO4/H2O2 (4:1) em 80oC por 10 min (solução "piranha");

– HF/H2O (1:10) em temperatura ambiente por 10s;

– NH4OH/H2O2/H2O (1:1:5) em 80oC por 10 min;

– HCl/H2O2/H2O (1:1:5) em 80oC por 10 min;

Entre cada s

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UNIVERSIDADEESTADUALDECAMPINAS …repositorio.unicamp.br/jspui/bitstream/REPOSIP/334377/1/... · 2019. 7. 12. · Agência(s) de fomento e nº(s) de processo(s): CNPq, 134830/2016-4;