[fep] relatório - tensão ruptura (incompleto!)
- From: Marco Carmignotto <oprecoce@xxxxxxxxxxxx>
- To: Grupo lab3 <fep@xxxxxxxxxxxxx>
- Date: Tue, 2 Dec 2003 23:18:48 -0300 (ART)
Muuuito trabalho depois (mais muito mesmo!), o grupo
de tensão de ruptura parece que finalmente chegou a um
problema maior ainda! :)
Eu participei da discussão do problema e da tomada de
dados e, conforme combinado, escrevi um esboço de
análise de dados sobre o que se passou hoje no lab.
Galera, leiam, critiquem, modifiquem... à voltade!
Segue em anexo o que escrevi. Acho que ainda está
incompleto, precisa de um pouco mais da análise dos
dados e dos links corretos para a esquematização dos
circuitos utilizados.
Valeu,
Marco
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\subsection{Análise de Dados ? Tensão de Ruptura}
Inicialmente, ligando um dos capacitores de menor área no circuito XXX,
variou-se a tensão da fonte procurando obter seu valor da tensão de ruptura.
Porém, a fonte de tensão contínua utilizada inicialmente, atingia um pico
máximo de tensão por volta de 30 V, o que não foi suficiente para romper o
capacitor.
Montou-se então o circuito YYY, para que se aproveitasse a tensão da rede
elétrica (cerca de 155,5 V em seu valor de pico) e atingisse assim maiores
valores de tensão. Conseguiu-se com esta fonte cerca de 97 V em corrente
contínua.
Novamente repetiu-se o experimento, aumentando gradativamente a tensão na fonte
e esperando que o capacitor rompesse, passando uma corrente no circuito (medida
com um amperímetro). Por volta de 2 V, um estalo no potenciômetro acusou um
curto circuito e tinha-se assim o capacitor rompido, conforme verificado
posteriormente com um ohmímetro. O capacitor rompera com uma tensão muito
abaixo do que já havia sido aplicada.
A hipótese inicial, depois de algum estudo, foi que o sentido da polarização do
capacitor influencia no seu valor de capacitância, e conseqüentemente no seu
valor de tensão de ruptura. Acidentalmente, invertera-se a ordem de polarização
do capacitor no momento em que se trocava a fonte, colocando assim o capacitor
não mais na ordem reversa de polarização e sim na ordem direta.
O significado físico desta hipótese baseia-se na composição de um diodo: na
ordem direta de polarização a camada de depleção é vencida e há fluxo de
corrente no circuito. Porém, na ordem inversa de polarização, os portadores
minoritários migram para a extremidade do semicondutor criando um potencial no
dielétrico, que impede o fluxo de corrente elétrica.
No caso do capacitor em questão, quando polarizado em ordem inversa, os
portadores minoritários do silício (que antes comportava-se apenas como um
condutor, sendo dielétrico apenas o óxido de silício) migram para a área
próxima ao óxido, criando uma barreira de potencial a mais neste ponto, criando
assim \emph{outra camada de dielétrico}. A capacitância neste caso é inferior
ao caso anterior, visto que além da distância efetiva entre as placas do
capacitor aumentar, esta nova camada de dielétrico passa a influenciar.
Portanto, em primeira análise, concluiu-se que realmente havia-se invertido o
sentido de polarização do capacitor.
Uma nova análise foi feita sobre um outro capacitor de mesmas características
que o anterior, porém desta vez com o cuidado do sentido de polarização do
capacitor (análise com o circuito YYY). O valor encontrado para a tensão de
ruptura na polarização direta do capacitor foi 80(10) V. Esta imprecisão está
relacionada ao fato de que o capacitor não se portou como os capacitores
convencionais, pois a resistência no circuito aumentava gradativamente com o
aumento da tensão, na faixa de tensão apresentada (nos capacitores
convencionais a resistência decai muito rapidamente, fazendo com que a corrente
no circuito passe de zero ao infinito num intervalo de tensão muito curto).
Uma análise da tensão de ruptura no sentido inverso de polarização foi feita em
um outro capacitor de características semelhantes aos anteriores. Desta vez,
como esperado, a tensão de ruptura encontrada foi 12(2) V.
Porém, uma característica diferente aparecera ao circuito: o ohmímetro acusava
\emph{resistência finita} quando colocado em um sentido no circuito e
\emph{circuito aberto} quando colocado no outro sentido do circuito.
As características do ohmímetro neste caso se tornaram relevantes: uma pilha é
ligada em série com o circuito e a corrente elétrica gerada é proporcional à
resistência em questão.
Isto implica que o ohmímetro analisa o circuito com corrente contínua e somente
há passagem de corrente quando este está ligado em um sentido específico no
circuito. Estas são as características de um diodo, o que leva a concluir que,
quando rompido com polarização inversa, o capacitor age como um diodo.
Fisicamente, a hipótese levantada pelo grupo é de que apenas a camada de óxido
de silício rompera, mas a camada de depleção ainda continua ativa, deixando
assim a característica de diodo ao capacitor.
Novamente, outra nova característica fora observada no capacitor: quando se
aplicou uma tensão sobre o capacitor rompido pelo sentido inverso de
polarização, porém agora com a polarização direta, ele voltou a comportar-se
como um capacitor, retomando as suas características originais. Este processo
foi repetido por cerca de cinco vezes sobre o mesmo capacitor, e suas
características voltavam às originais após cada etapa.
Porém, o capacitor rompido no sentido direto de polarização, não pôde ser
revertido, conforme era esperado pelo raciocínio inverso do anterior.
Desta vez o grupo não conseguiu concluir o que realmente acontecera nesta parte
do experimento. Com relação ao rompimento irreversível no sentido de
polarização direto, a hipótese levantada é que as características de diodo
(camada de depleção) e as características do dielétrico foram destruídas,
destruindo todo o sistema e tornando impossível a reversão.
Com relação à reversibilidade da polarização direta (sem fatos experimentais
que provem os mesmos), o grupo levantou duas hipóteses:
\begin{itemize}
\item I - Migração de átomos de silício ou de ouro para dentro do óxido de
silício quando a ruptura é em polarização reversa, fazendo com que as
características dielétricas do óxido sejam mantidas, porém os átomos migrados
anulam o efeito dielétrico do mesmo, deixando em contado a placa superior do
capacitor com a placa inferior de silício (e o processo seria reversível pelo
raciocínio inverso, invertendo-se a polarização do capacitor os átomos voltam
aos seus lugares, ``reativando´´ a camada dielétrica); ou
\item II ? Portadores de carga (elétrons ou buracos) impregnam-se no óxido de
silício após a ruptura pela polarização inversa, anulando o efeito dielétrico
do mesmo, porém preservando suas características (novamente o processo seria
reversível pelo raciocínio inverso: polarização direta faz com que os
portadores saiam do dielétrico).
\end{itemize}
Este será um trabalho a ser realizado no futuro, pois o grupo julgou que é além
dos objetivos desta disciplina avançar mais neste estudo.
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