Díodo de Junção Semicondutora

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1 íodo de Junção emicondutora ispositivos Eletrónicos Licenciatura em Engenharia Electrónica C. Ferreira Fernandes

2 Laboratório de ispositivos Electrónicos ÍOO E JUNÇÃO Material utilizado: Placa de circuito impresso, Multímetros digitais P-751; Fonte de tensão 6303; Gerador de Funções programável TTi- série TG1010A; Osciloscópio TEKTRONIX série T a I. REGIME ETACIONÁRIO: CARACTERÍTICA CORRENTE-TENÃO I(U) I.1. OBJECTIVO Pretende-se no ponto I do trabalho medir a característica estacionária de um díodo de junção I = I u e verificar a validade do modelo teórico proposto. I.2. INTROUÇÃO TEÓRICA No modelo de difusão com recombinação a equação que descreve a corrente no díodo em função da tensão aos seus terminais é U ( ηu I = T ) Iis ( e 1) (I.1) em que UT = kt q é a tensão característica da temperatura T; I is é a corrente inversa de saturação; 23 k = 1,38 10 J K é a constante de Boltzmann; 19 q = 1, C é o módulo da carga do electrão; η é o factor de idealidade ( 1 η 2). endo pode-se fazer a aproximação ou seja U >> ηu (I.2) T U ( ηu I I e T ) (I.3) is ln I I U ηu (I.4) is T Assim, para pares de valores (, ) U I obtidos experimentalmente, é de esperar que seja linear a relação entre log ( I I REF ) e U U T, caso se esteja nas condições expressas em (I.2)

3 Laboratório de ispositivos Electrónicos É possível assim obter o valor da corrente inversa de saturação por extrapolação para U U T = 0. No gráfico da Fig.I.1 pode-se também determinar o log ( I I REF ) valor de η, através da inclinação da recta. A placa de circuito impresso que serve de base às montagens a efectuar está representada na Fig.I.2. log ( I is I REF ) Fig. I.1 U U T M 1 A 1 2 B R 1 R 2 R 3 M Fig.I.2 I.3. TRABALHO EXPERIMENTAL A escolha da resistência R mais apropriada depende das características do díodo, ou seja da zona de funcionamento da junção, e do valor da fonte de alimentação E. Irá ser caracterizado o díodo 1N4002(7). Abra o ficheiro EXCEL denominado íodo (página da disciplina no FENIX, secção: Laboratório, item: íodo). I.3.1. Polarização directa Realize a montagem correspondente ao circuito da Fig.I.3. Coloque o interruptor na posição 1 e ligue a fonte de alimentação E (Fonte C 6303) entre A e a massa. Variando E registe os valores lidos nos voltímetros V 1 e V 2 (Multímetros P-751), ligados a M 1 e M 2, respectivamente, na tabela do ficheiro íodo para a temperatura ambiente. ugestão: Para 0 < U < 0, 3(V) use R 3, considerando 2 pontos na variação de E; Para 0,3 < U < 0,5(V) use R 2, considerando 2 pontos na variação de E; Para 0,5 < U < 0,7 (V) use R 1, considerando 4 pontos na variação de E

4 Laboratório de ispositivos Electrónicos V 1 E A R 1 R 2 R 3 V 2 B 2 R = 1 kω R = 3,3 kω R = 560 kω E Fonte C 6303 ; V1, V 2 igital multimeter P 751 Fig.I.3 I.3.2. Polarização inversa No circuito da Fig.I.3 mude a polaridade da bateria, colocando o interruptor na posição 2. Retire o voltímetro V 1. Realize a montagem correspondente e, por variação de E, efectue a leitura dos pontos da característica ( I, U), por registo dos valores lidos no voltímetro V 2 e na fonte E. Nota: atendendo a que a corrente no díodo é desprezável nesta gama, verifica-se que E U. ugestão: Utilize R = R3 e considere 4 leituras na gama 0 < E < 10 V. Preencha a tabela de valores existente no ficheiro íodo e imprima o gráfico obtido correspondente à característica estacionária tensão corrente I U do díodo à temperatura ambiente. II. REGIME INÂMICO II.1. OBJECTIVO Nesta secção é analisado o comportamento da junção pn em regime variável. No primeiro caso, pretende-se o andamento da corrente e da tensão num díodo em regime de comutação; no segundo caso, estuda-se o regime quase-estacionário e, finalmente, estuda-se a junção pn em regime incremental alternado sinusoidal. II.2. INTROUÇÃO TEÓRICA II.2.1. Regime de comutação Considere o circuito da Fig.II.1, em que o interruptor está ligado a A. O díodo encontra-se polarizado directamente. Na situação estacionária, os andamentos dos portadores de minoria - 3 -

5 Laboratório de ispositivos Electrónicos nas zonas de difusão ou quase neutras vizinhas da região de transição são os da Fig.II.2. Admitiu-se que Na > N d. i E A B E R u Fig.II.1 Para maior compreensão, a figura II.2 não está à escala, ( Lp > Ln >> l = xn x p ; por exemplo L = 100 l). Lado P p n 1 Lado N n p 1 E p n 0 n p 0 L p L n x -x p 0 x n n p 0 e n p 1 e L n e Fig.II.2 p n 0 são os valores das minorias em equilíbrio termodinâmico; p n 1 são os valores correspondentes com tensão aplicada u U n = T p n 1 p e 0 u U p = T n p 1 n e 0 L p são os comprimentos de difusão dos electrões e dos buracos respectivamente Ln = nτ n = n 1 r Na Lp = pτ p = p 1 r Nd n, p são os coeficientes de difusão; τ n, p é o tempo de vida médio das minorias

6 Laboratório de ispositivos Electrónicos As concentrações de minorias crescem ao longo da zona de transição, passando a maiorias do outro lado da junção. Vemos que as zonas de transição e de difusão se encontram enriquecidas em relação à situação de equilíbrio termodinâmico. Este enriquecimento está associado a uma diminuição do potencial na zona de transição, resultante da tensão aos terminais. endo u A a tensão de polarização directa no díodo, a corrente i é i = E u R Admitamos agora que o interruptor está na posição B. Na situação estacionária o díodo encontra-se inversamente polarizado. e A u << U T, o andamento esquemático dos portadores de minoria é o da Fig.II.3, que também não está à escala para maior compreensão. Por acção da tensão, as concentrações de minorias em x = x p e x = x n são reduzidas a zero. Estes valores de minorias passarão ao longo da zona de transição a maiorias. Na hipótese de injecção fraca, que é válida desde que as densidades de corrente não sejam muito elevadas (da ordem de A/cm para as concentrações habituais de impurezas de substituição, 24-3 ~ 10 m ), o valor das concentrações das maiorias é praticamente o de equilíbrio termodinâmico ( n1 n0 p1 p0 ) n n ; p p. Este facto observa-se quer a polarização seja directa quer seja inversa, isto é, o seu valor não é afectado pela polarização desde que esta seja tomada como uma pequena perturbação no sistema. Vemos assim que as zonas de transição e de difusão estão empobrecidas em portadores para a situação de polarização inversa. E L p p n 0 L n n p 0 -x p 0 x n Fig.II.3 x O valor da corrente é i = I is sendo o valor de u dado por u = E R I B is - 5 -

7 Laboratório de ispositivos Electrónicos Analisemos o transitório correspondente a passar o interruptor muito rapidamente de A para B. Corresponde a aplicar ao circuito uma tensão em degrau (Fig.II.4), que passa de E para E. E u E t 0 t Fig.II.4 A tensão aos terminais do díodo, não pode passar instantaneamente do valor positivo para o valor negativo u B, porque a tensão u está associada às distribuições de portadores, u A e estas não podem variar instantaneamente. e facto, embora o processo de variação na zona de transição possa ser rápido, visto que nela há um campo eléctrico, o mesmo não acontece nas zonas de difusão. Aí, o desaparecimento das minorias é por difusão com recombinação 6 9 sujeito a um tempo de vida médio relativamente longo ( 10 s a 10 s). Assim, ao dar-se a transição da tensão u de E para E, a tensão u mantêm-se inicialmente em u A, diminuindo depois lentamente. A variação da corrente é devida ao facto de termos desprezado o coeficiente de indução dos fios, não havendo assim variação instantânea da energia magnética associada à da corrente. Esta indução será tanto menor quanto mais grossos e curtos forem os fios. Para a evolução espacial da densidade de portadores basta que troque o sinal da derivada das concentrações de minorias nas fronteiras x = x p e x = x n (Fig.II.5). Pode verificar-se que no instante inicial existe uma mudança do sinal da derivada, representada na figura pelo declive das rectas tangentes a tracejado. p lado p t n t lado n n p0 x p n0 x Fig.II.5-6 -

8 Laboratório de ispositivos Electrónicos alienta-se no entanto que a mudança da derivada pouco altera a distribuição de portadores e, portanto, o valor de u. Lentamente, a distribuição de portadores tende para a situação estacionária, bem como a corrente e a tensão aos terminais do díodo. u E E 0 t ( ) E U R i I is E U R t u U ( E RI is ) t Fig.II.6 Na Fig.II.6 representam-se as variações temporais da corrente no díodo e da tensão aos seus terminais durante a comutação. A evolução da corrente não é exponencial, visto que a equação que a descreve não é uma equação diferencial ordinária de coeficientes constantes mas sim uma equação não linear às derivadas parciais. Na primeira fase a corrente é aproximadamente constante. A solução numérica das equações mostra que a derivada das concentrações de minoria é constante nos limites da zona de transição. A corrente começa a subir aproximadamente quando a tensão no díodo passa por zero. Para a variação de u em sentido inverso, de agora poucos portadores. E para E, a variação é mais rápida, visto que as zonas de difusão têm II.2.2. Regime quase-estacionário. Rectificação de meia-onda Consideremos a Fig.II.7a onde a tensão de entrada é uma tensão alternada sinusoidal de baixa frequência e de amplitude, M u t UM t ada a baixa frequência, a U ou seja, = sin ω. situação pode ser tomada como uma sequência de estados estacionários em que a tensão de entrada toma todos os valores entre ± M. U No plano I U os sucessivos pontos de - 7 -

9 Laboratório de ispositivos Electrónicos funcionamento são obtidos a partir da intersecção da curva do díodo com a recta de carga associada à lei das malhas do circuito U = U RI (Fig. II.7b) Caso na polarização inversa o díodo não entre em disrupção ( UM < U disr ), a junção pn só deixará passar corrente nos meios ciclos positivos da tensão de entrada, comportando-se como um circuito aberto nos seus meios ciclos negativos. esigna-se este circuito por rectificador de meia-onda. I R u( t) = U sin ωt M U V M R I (a) V M V M U (b) V M R Fig.II.7 II.2.3. Regime incremental alternado sinusoidal. Condutância incremental do díodo. Considere agora que no circuito da Fig.II.7 a tensão de entrada é agora uma tensão composta U ( t) = U0 u( t) = U0 UM sin ωt, formada por uma componente contínua U 0 e por uma parte variável alternada sinusoidal u( t) = UM sin ωt. Para pequenas variações do sinal, o sistema pode ser tomado como funcionando em torno dum ponto de funcionamento em repouso PFR definido pela componente contínua da tensão U 0. o ponto de vista variável é então possível arranjar um modelo para o díodo que, basicamente, corresponde à consideração do termo constante e dos termos de 1ª ordem do desenvolvimento em série em torno do PFR da corrente e da tensão no díodo. Nessas condições u ( t) = U0 ud ( t ). Para sinais de baixa frequência os efeitos capacitivos podem em primeira aproximação ser desprezados ud ( t) = UM sin ωt, ou seja as componentes variáveis das tensões de entrada e no díodo, respectivamente, u( t) e ud ( t ), estão em fase. Conforme referido atrás, para sinais de baixa amplitude ( UM << U T ), é possível modelar o díodo por uma condutância g (resistência r). Esta depende do PFR e é dada por: - 8 -

10 Laboratório de ispositivos Electrónicos 1 I = I g is = r ηut II.3. TRABALHO EXPERIMENTAL II.3.1. Regime de comutação Faça a montagem do circuito da Fig.II.8a. Ligue o gerador de funções em A (Fig.I.2) (Thurlby Thandar Instruments TTI- TG1010A). Programe o gerador de funções de modo que a tensão u g seja uma onda rectangular de amplitude 10 V pico a pico (varia de -5V a 5V). Com o interruptor na posição 1 (Fig.II.8a), o canal 1 do osciloscópio (Tektronix T 2012) visualiza a tensão na resistência R 1 (proporcional à corrente i ) e o canal 2 visualiza a tensão u g a aplicar à montagem, em que u g é a tensão rectangular sem offset. eleccione o canal Math no osciloscópio. ubtraia a tensão na resistência (canal 1) da tensão u g (canal 2) e obtenha assim a tensão aos terminais do díodo u. Registe num gráfico à escala as formas da tensão u g e da corrente i = ur R 1 através das curvas visualizadas no osciloscópio para as frequências 200 Hz, 15 khz e 1,5 MHz. Nota: como alternativa para a visualização de u no osciloscópio pode colocar o interruptor na posição 2 (Fig.II.8b). Nessas condições, o canal 1 do osciloscópio visualiza o simétrico da tensão no díodo u e o canal 2 visualiza a tensão u g. Canal 1 OCILOCÓPIO T 2012 Canal 2 u g 1 Canal 1 tensão em R 1 (corrente) Canal 2 onda rectangular GERAOR E INAI TG 1010A R 1 1 Fig.II.8(a) - 9 -

11 Laboratório de ispositivos Electrónicos Canal 1 OCILOCÓPIO Canal 2 2 Canal 1 tensão U u g R 1 Canal 2 onda rectangular 2 Fig.II.8(b) II.3.2. ituação quase-estacionária. Rectificação de meia-onda. No circuito da Fig.II.8a considere que a tensão u g é agora uma onda sinusoidal de amplitude 10 V pico a pico e de frequência 200 Hz. Por um procedimento idêntico ao descrito em II.3.1 registe num gráfico à escala as formas da tensão u g e da corrente i = ur R 1. II.3.3. Regime incremental alternado sinusoidal. No circuito da Fig.II.8a considere que a tensão u g é agora uma tensão composta dada por u ( t) U U sin t g = 0 M ω obtida à saída de um gerador de sinais com offset e considere R = R1 = 1 kω. Faça a montagem do circuito da Fig.II.8b. Ligue o gerador de funções em A (Fig.I.2). Programe o gerador de funções de modo que ug ( t) = U0 UM sin ω t. Considere que a onda sinusoidal tem 1 V de amplitude pico a pico e frequência f = 200 Hz. Admita U0 = U 0 min = 0,5 V actuando no offset. Com o interruptor na posição 2 (Fig.II.8b), o canal 1 do osciloscópio lê a tensão u aos terminais do díodo, desde que este esteja inserido na posição contrária à representada na Fig. I.3 ou II.8b, ou seja com o lado n ligado ao ponto 2. Registe o gráfico da evolução temporal da parte variável da tensão no díodo ud ( t ) e registe igualmente o valor da componente contínua dessa tensão, U 0. Aumente o valor de U 0, por exemplo para U 0 max = 1,5 V, e verifique o que acontece a U 0 e à amplitude da parte variável de ud ( t ). etermine o valor da condutância incremental do díodo em cada uma das situações