GUIA DE LABORATÓRIOS DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS 1. DÍODO DE JUNÇÃO

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1 GUIA E LABORAÓRIO E IPOIIVO ELECRÓNICO 1. ÍOO E JUNÇÃO

2 Laboratório de isositivos Electróicos ÍOO E JUNÇÃO I. REGIME EACIONÁRIO I.1. OBJECIVO Pretede-se o oto I do trabalho medir a característica estacioária de um díodo de jução ( ) I = I u e verificar a validade dos modelos teóricos utilizados. I.2. EORIA No modelo de difusão com recombiação a equação que descreve a correte o díodo em fução da tesão aos seus termiais é is U ( ηu) ( 1) I = I e (I.1) em que U = k q é a tesão característica da temeratura ; I is é a correte iversa de saturação; k q 23 = 1,38 10 J K é a costate de Boltzma; 19 = 1,60 10 C é o módulo da carga do electrão; η é o factor de idealidade ( 1 η 2). edo U >> η U (I.2) ode-se fazer a aroximação I ( ηu ) U Iise (I.3) ou seja ( I I ) U ( U ) l is η (I.4) - 1 -

3 Assim, ara ares de valores (, ) a relação etre ( ) log REF U I obtidos exerimetalmete, é de eserar que seja liear I I e U U, caso se esteja as codições exressas em (I.2). É ossível assim obter o valor da correte iversa de saturação or extraolação ara U U = 0. No gráfico da Fig.I.1 ode-se também determiar o valor de η, através da icliação da recta. log( I I REF ) log( I is I REF ) U U Fig. I.1 A laca de circuito imresso que serve de base às motages a efectuar está reresetada a Fig.I.2. M 1 A 1 2 B R 1 R 2 R 3 M Fig.I.2 I.3. CARACERÍICA EACIONÁRIA E UM ÍOO A escolha da resistêcia R mais aroriada deede das características do díodo, ou seja da zoa de fucioameto da jução, e do valor da fote de alimetação E. Neste oto do trabalho irá ser caracterizada uma das juções -: o díodo 1N4002. I.3.1. Polarização directa Realize a motagem corresodete ao circuito da Fig.I.3. Coloque o iterrutor a osição 1 e ligue a fote de alimetação E etre A e a massa. Variado E, efectue a leitura dos otos da característica ( ) I U, registado os valores lidos os voltímetros V 1 e V 2, ligados a M 1 e M 2, resectivamete

4 V 1 E A R 1 R 2 R 3 V 2 B 2 R = 1kΩ R = 3,3kΩ R = 560kΩ Fig.I.3 Meça I ara diversos valores de U. ugestão: Para 0 U < 0,6(V) use = 0,05 V com R 2 ou R 3. < U Para 0,6 U < 0,7 (V) use U = 0,01 V com R 1. < I.3.2. Polarização iversa No circuito da Fig.I.3 mude a olaridade da bateria, colocado o iterrutor I a osição 2. Realize a motagem corresodete e, or variação de E, efectue a leitura dos otos da característica ( I, U ), or registo dos valores lidos os voltímetros V 1 e V 2. ugestão: Utilize o valor de R = R3 e cosidere 0< E < 20 V com E = 2 V. I.4. RAÇAOR E CARACERÍICA A determiação da característica estacioária correte-tesão I = I U ) dos díodos 1N4002 ( e de Zeer BZX85C7V vai ser efectuada utilizado o traçador de características EK571. Carregue o botão MENU e efectue a seguite rogramação: Fuctio: Acquisitio ye: iode V Amax : 2 V a olarização directa, 10 V a olarização iversa - 3 -

5 I Amax : 20 ma R Load : 10 Ω P Max : 0,1 W ou 0,5 W Carregue o botão AR. Observe a característica. Carregue o botão CUROR. Coloque uma das marcas o oto I = 10mA e outra o oto I = 11mA. Registe os valores. Imrima as características ressioado o botão COPY. e quiser alterar os arâmetros, carregue de ovo o botão MENU e reita o rocedimeto. II. REGIME INÂMICO II.1. OBJECIVO Neste oto estuda-se o adameto da correte e da tesão um díodo em regime de comutação e mede-se a variação da caacidade diferecial de trasição com a olarização iversa. II.2. EORIA O díodo de jução em regime de comutação: asectos qualitativos. Cosidere o circuito da Fig.II.1, em que o iterrutor está ligado a A. O díodo ecotra-se olarizado directamete. i A E B E R u Fig.II.1 Na situação estacioária, os adametos dos ortadores de mioria as zoas de difusão ou quase eutras vizihas da região de trasição são os da Fig.II.2. Admitiu-se que Na > Nd. Para maior comreesão, a figura ão está à escala, ( L > L >> l = x x ; or exemlo L= 100 l)

6 Lado P 1 Lado N 1 E 0 0 L L x -x 0 x e 1 e - L e Fig.II.2 0 são os valores das miorias em equilíbrio termodiâmico; 1 são os valores corresodetes com tesão alicada = e 1 0 = e 1 0 u U u U L são os comrimetos de difusão dos electrões e dos buracos resectivamete ( ) L = τ = 1 rn a ( ) L = τ = 1 rn d - coeficietes de difusão; τ temo de vida médio das miorias. As cocetrações de miorias crescem ao logo da zoa de trasição, assado a maiorias do outro lado da jução. Vemos que as zoas de trasição e de difusão se ecotram eriquecidas em relação à situação de equilíbrio termodiâmico. Este eriquecimeto está associado a uma dimiuição do otecial a zoa de trasição, resultate da tesão aos termiais. A correte i é ( ) i = E u R ode u A é a tesão de olarização directa o díodo. Admitamos agora que o iterrutor está a osição B. Na situação estacioária o díodo ecotra-se agora iversamete olarizado. e u << U A, o adameto esquemático dos ortadores de mioria é o da Fig.II.3, que também ão está à escala ara maior comreesão

7 Por acção da tesão, as cocetrações de miorias em x = x e x x = foram reduzidas a zero. Estes valores de miorias assarão ao logo da zoa de trasição a maiorias. Na hiótese de ijecção fraca, que é válida desde que as desidades de correte ão sejam muito elevadas (da ordem de A/ cm ara as cocetrações habituais de imurezas de substituição, 24 3 ~10 m ), o valor das maiorias é semre o de equilíbrio termodiâmico. Este facto observa-se quer a olarização seja directa quer seja iversa, isto é, o seu valor ão é afectado ela olarização desde que esta seja tomada como uma equea erturbação o sistema. Vemos assim que as zoas de trasição e de difusão estão emobrecidas em ortadores. E L 0 L 0 -x 0 x Fig.II.3 x O valor da correte é i = I is sedo o valor de u dado or B ( ) u = E RI Aalisemos o trasitório corresodete a assar o iterrutor muito raidamete de A ara B. Corresode a alicar ao circuito uma tesão em degrau (Fig.II.4), que assa de E ara E is E u E t 0 t Fig.II.4-6 -

8 A tesão aos termiais do díodo, ão ode assar istataeamete do valor u A ositivo ara o valor u B egativo, orque u está associada às distribuições de ortadores, e estas ão odem variar istataeamete. e facto, embora o rocesso de variação a zoa de trasição ossa ser ráido, visto que ela há um camo eléctrico, o mesmo ão acotece as zoas de difusão. Aí, o desaarecimeto das miorias é or difusão com recombiação sujeito a um temo de vida médio relativamete logo ( 6 10 s a 10 9 s). Assim, ao dar-se a trasição da tesão u de E ara E, a tesão u matêm-se iicialmete em u A, dimiuido deois letamete. A variação da correte é devida ao facto de termos desrezado o coeficiete de idução dos fios, ão havedo assim variação istatâea da eergia magética associada à da correte. Esta idução será tato meor quato mais grossos e curtos forem os fios. Para a evolução esacial da desidade de ortadores basta que troque o sial da derivada das cocetrações de miorias as froteiras x = x e x = x (Fig.II.5). lado t t lado 0 x 0 x Fig.II.5 alieta-se que a mudaça da derivada ouco altera a distribuição de ortadores e, ortato, o valor de u. Letamete, a distribuição de ortadores tede ara a situação estacioária, bem como a correte e a tesão aos termiais do díodo. Na Fig.II.6 reresetam-se as variações temorais da correte o díodo e da tesão aos seus termiais durate a comutação. A evolução da correte ão é exoecial, visto que a equação que a descreve ão é uma equação diferecial ordiária de coeficietes costates mas sim uma equação ão liear às derivadas arciais. Na rimeira fase a correte é aroximadamete costate. A solução umérica das equações mostra que a derivada das cocetrações de mioria é costate os limites da zoa de trasição. A correte começa a subir aroximadamete quado - 7 -

9 a tesão o díodo assa or zero. Para a variação de u em setido iverso, de E ara E, a variação é mais ráida, visto que as zoas de difusão têm agora oucos ortadores. u E E 0 t ( ) E U R ( ) i I is E U R t u U ( ) E RI is Fig.II.6 t Medida da caacidade diferecial de trasição É sabido que ara olarização iversa o díodo se comorta, do oto de vista icremetal, quase como uma caacidade diferecial ura, já que a codutâcia icremetal é muito equea. Assim como uma caacidade é defiida como o cociete etre uma carga e uma tesão, a caacidade diferecial é defiida como o cociete etre as variações da carga e de tesão associadas. A caacidade diferecial que o díodo evidecia essa situação desiga-se or caacidade diferecial de trasição orque o feómeo em jogo é recisamete o da variação da carga esacial a zoa de trasição or variação da largura desta, o que acotece quado a tesão aos termiais do díodo varia em toro da tesão costate de olarização. II.3. EXECUÇÃO O RABALHO II.3.1. Regime de comutação a) Faça a motagem do circuito da Fig.II.7. Ligue um oscilador em A. A tesão u g é uma oda rectagular de amlitude 10 V ico a ico

10 Caal 1 OCILOCÓPIO Caal 2 u g 1 Caal 1 tesão em R 1 (correte) Caal 2 oda rectagular R 1 1 Fig.II.7(a) Caal 1 OCILOCÓPIO Caal 2 2 Caal 1 tesão U u g R 1 Caal 2 oda rectagular 2 Fig.II.7(b) Com o iterrutor a osição 1 (Fig.II.7a), o caal 1 do osciloscóio visualiza a tesão a resistêcia R 1 (roorcioal à correte i ) e o caal 2 visualiza a tesão u g a alicar à motagem, em que u g é a tesão rectagular sem offset. Com o iterrutor a osição 2 (Fig.II.7b), o caal 1 do osciloscóio visualiza o simétrico da tesão o díodo ( U ) e o caal 2 visualiza a tesão u g. b) Registe um gráfico à escala as formas da tesão u g e da correte i = ur R1 através das curvas visualizadas o osciloscóio ara as frequêcias 200 Hz, 15 khz e 1,5 MHz. II.3.2. Caacidade de trasição Meça com o medidor RLC Peacktech 2160 o valor dos arâmetros do circuito equivalete do díodo, colocado como idicado a Fig.II.8. Os valores lidos ermitem o cohecimeto da caacidade de trasição associada ao díodo ara diversos valores da olarização. O díodo deve - 9 -

11 ser ligado o aiel frotal de modo a estar olarizado iversamete. A olarização é cotrolada ela fote de alimetação que é ligada o aiel osterior, como idicado a figura. Varie a olarização tal que 5 < U 0 V com U = 0,5 V e 10 U < 5 V com U = 1 V. Codições de teste: Measuremet Mode: C est Frequecy: f = 10 khz est voltage: cost. Bias: EX Mesauremet rate: low islay otio: Average Parallel Caal 1 Medidor RLC Paiel frotal Fote de tesão Medidor RLC Paiel osterior C BIA Fig.II.8 III. RELAÓRIO 1. Para um cojuto de otos obtidos corresodete à característica do díodo 1N4002 a zoa directa trace um gráfico à escala ode rereseta ( I I ) f ( U U ) =, I = 1 ma. l REF (Utilize ael semi-logarítmico). Aroveite as zoas lieares da curva obtida ara obter os valores de I, η, I e η. is R R 2. Para o díodo 1N4002, faça a adatação da curva obtida o traçador aos modelos aalíticos exoecial e o que se obtém or liearização or troços da característica. REF

12 3. A artir da característica estacioária I ( U ) obtida o traçador, calcule o valor da codutâcia icremetal associada ao díodo quado I = 10 ma. 4. A artir das curvas obtidas em regime de comutação calcule o valor do temo de difusão associado ao díodo. 5. Reresete um gráfico à escala, a caacidade de trasição que mediu, em fução da tesão de olarização iversa o díodo C ( U ). etermie os arâmetros C, e 0 m V característicos do díodo. 6. Alicação: Cosidere o circuito da Fig.III.1 e admita que o díodo é o 1N4002, com os arâmetros determiados os otos ateriores. Usado o PPICE mostre as características do díodo. Calcule os valores da codutâcia e da caacidade icremetal associada ao díodo o circuito, j j quado 1 2 v () t = 10 siω t Ve R = 1k Ω, sedo: Gruo I f = ω / 2π = 10 khz, ara E = 10 V. Gruo II f = 100 Hz, ara E = 10 V. Gruo III f = 1MHz, ara E = 10 V. Nessas codições, usado ovamete o PPICE, trace u ( t ). Comare os resultados com os obtidos or via aalítica. i R = 1kΩ ~ u 1 () t E Fig.III