Universidade Federal de Santa Catarina Departamento de Engenharia Elétrica Laboratório de Materiais Elétricos EEL 7051 Professor Clóvis Antônio Petry Experiência 07 Diodos de Junção PN e Fotodiodos Fábio J. P. Bauer Tiago Natan A. Veiga Florianópolis, agosto de 006.
Sumário 1. Objetivos... 3. Introdução... 4 3. Parte teórica... 5 3.1 Junções PN e diodo semicondutor... 5 3. Fotodiodos... 6 4. Parte prática... 7 4.1 Material utilizado... 7 4. Curvas de tensão versus corrente do diodo... 7 4.3 Fotodiodo... 10 4.4 Questões... 10 5. Conclusão... 1
1. Objetivos Análise das propriedades básicas dos materiais semicondutores. Caracterização de semicondutores tipo N e tipo P e introdução aos conceitos de junção PN. Verificação do funcionamento de um diodo e um fotodiodo.
. Introdução No presente trabalho serão abordados conceitos sobre semicondutores tipo P e do tipo N. Quando esses dois tipos de materiais são unidos de forma a formar um único corpo, diz-se que se formou uma junção PN. Essa junção é que está ligada ao princípio de funcionamento de um diodo. O diodo será apresentado nesse experimento e seu funcionamento discutido através de um circuito simples montado. Em seguida o funcionamento de um fotodiodo será verificado. O diodo e o fotodiodo em estudo são componentes integrados no chip nº. 3 da Motorola, desenvolvido pela Universidade de Edimburgo, Escócia.
3. Parte teórica Junções PN e diodo semicondutor Materiais semicondutores, como o silício, não são utilizados puros em aplicações elétricas por não apresentarem características vantajosas. Por isso, por um processo chamado dopagem são adicionados outros elementos ao silício. O silício possui quatro elétrons na camada de valência. Adicionando-se um outro material com cinco elétrons na camada de valência ao silício, os átomos se rearranjam e há a sobra de um elétron a cada átomo do elemento adicionado. Então há um excesso de cargas negativas. Esse tipo de dopagem caracteriza um material do tipo N. Analogamente, adicionando-se um material com três elétrons na camada de valência haverá falta de cargas negativas (lacunas), caracterizando um material do tipo P. Quando esses dois tipos de materiais (P e N) são unidos, há a formação de um gradiente de concentração cruzando a junção resultante, de forma que os portadores majoritários (partículas de carga) são difundidos através da mesma, isto é, por exemplo, elétrons são difundidos do material tipo n para o material tipo p, estabelecendo uma região de depleção. È a partir dessa junção que se constrói o diodo (Figura 1). Quando esse elemento é polarizado diretamente, conduz corrente e se polarizado de forma reversa não conduz corrente. Figura 1 Representações de diodo de junção. A curva que caracteriza um diodo é a curva corrente versus tensão. Uma curva típica é apresentada a seguir:
Figura Curva tensão x corrente de um diodo. Nota-se que a partir de uma tensão positiva, o diodo permite a passagem de corrente. Para tensões reversas a condução pode ser considerada desprezível. Fotodiodos Os fotodiodos são dispositivos utilizados como sensores de luz. Possibilitam uma corrente quando são colocados sob ação de uma fonte luminosa. Os fotodiodos podem ser utilizados tanto na polarização direta tanto na reversa. Na polarização direta, quando os fotodiodos são atingidos pela energia luminosa, pelo efeito fotoelétrico surge uma corrente fluindo no dispositivo. Na polarização reversa, o diodo é alimentado por uma tensão reversa. Nessa situação há grande resistência à passagem de corrente, porém quando o fotodiodo é iluminado, essa resistência diminui e se observa a passagem de uma corrente reversa, como mostra a Figura 3:
Figura 3 Polarização de um fotodiodo. 4. Parte prática Material utilizado multímetro Minipa ET 00 A; 1 chip Motorola n.º 3; Resistores:, kω, 470Ω, 1kΩ, 100kΩ; 1 lâmpada incandescente; Protoboard; Fonte de 5 V (bancada); Curvas de tensão versus corrente do diodo Para a obtenção da curva tensão x corrente como a mostrada na Figura, montou-se o circuito representado na Figura 4 para a polarização direta e o circuito representado na Figura 5 para a polarização reversa:
Figura 4 Circuito para polarização direta do diodo Figura 5 Circuito para polarização reversa do diodo Tem-se então as relações para a tensão e corrente sobre o diodo em ambos os casos: V D = V 1 - V, I D = V / R 3 polarização direta V D = V V 1, I D = - V / R 3 polarização direta Os valores obtidos experimentalmente são os seguintes: Tabela 1 Valores de V D e I D para a polarização direta.
Tabela - Valores de V D e I D para a polarização reversa. Assim podemos construir um gráfico V D x I D para V D variando de -0,85 V a 0,63 V : 180 160 140 10 Id (ua) 100 80 60 40 0 0-1 -0,8-0,6-0,4-0, -0 0 0, 0,4 0,6 0,8 Vd (V) Figura 6 Curva tensão x corrente no diodo em estudo Pode-se observar que essa curva é similar à curva apresentada na Figura.
Fotodiodo Para a medição da tensão sobre um fotodiodo foi montado o circuito a seguir: Figura 7 Circuito para a medição da tensão no fotodiodo O componente foi submetido à três situações: ambiente escuro, luz natural e iluminação forte (através de uma lâmpada incandescente). As medidas efetuadas sãos relacionadas a seguir: Tabela 3 Tensão no fotodiodo sob diferentes iluminações Nota-se que quanto mais intensa a iluminação, mais intensa é a tensão nos terminais do fotodiodo, como era o esperado. Questões a) Calcular a potência gerada no fotodiodo da figura 7; 3 V 560 10 P 1 P 5,6. W 3 R 100 10 1
b) O fotodiodo é um retângulo com lados iguais a 0,5 mm e 0,8 mm. Utilize seus resultados para determinar a potência por mm e por m, para o circuito da figura 7; A 5,6. W 0,4mm 0,5 0,8 0,4mm 14. W / mm 14W / m c) Qual seria a área de célula solar necessária para gerar uma potência de saída de 1 W; 1m 14. W A 1. W A 1 14 m
5. Conclusão Através dos circuitos montados nesse experimento pode-se compreender o funcionamento de um diodo e de um fotodiodo. Quando foi aplicada uma tensão reversa no diodo, não houve condução de corrente. Porém quando foi aplicada uma tensão positiva, acima de um certo valor, o diodo começou a conduzir corrente indefinidamente. Isso acontece porque dependendo da tensão aplicada nos terminais do diodo a região de depleção na junção PN se arranja de tal maneira que permite a passagem de cargas elétricas. Essa propriedade foi demonstrada experimentalmente e evidenciada através de um gráfico. Para o fotodiodo, quanto maior a luminosidade maior foi a tensão em seus terminais e conseqüentemente maior a corrente circulando no resistor. Isso acontece porque quanto maior a luminosidade mais intenso é o efeito fotoelétrico.