Universidade Federal de Santa Catarina
Departamento de Engenharia Elétrica
Laboratório de Materiais Elétricos – EEL 7051
Professor Clóvis Antônio Petry
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Experiência 07
Diodos de Junção PN e Fotodiodos
Fábio J. P. Bauer
Tiago Natan A. Veiga
Florianópolis, agosto de 2006.
Sumário
1.
2.
3.
Objetivos ..................................................................................................... 3
Introdução ................................................................................................... 4
Parte teórica................................................................................................ 5
3.1
Junções PN e diodo semicondutor....................................................... 5
3.2
Fotodiodos ........................................................................................... 6
4. Parte prática................................................................................................ 7
4.1
Material utilizado .................................................................................. 7
4.2
Curvas de tensão versus corrente do diodo......................................... 7
4.3
Fotodiodo ........................................................................................... 10
4.4
Questões............................................................................................ 10
5. Conclusão ................................................................................................. 12
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.
2. 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 2 – 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
2 multímetro Minipa – ET 2020 A;
1 chip Motorola n.º 3;
Resistores: 2,2 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
2, 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:
VD = V1 - V2 , ID = V2 / R3  polarização direta
VD = V2 – V1 , ID = - V2 / R3  polarização direta
Os valores obtidos experimentalmente são os seguintes:
Tabela 1 – Valores de VD e ID para a polarização direta.
Tabela 2 - Valores de VD e ID para a polarização reversa.
Assim podemos construir um gráfico VD x ID para VD variando de -0,85 V
a 0,63 V :
180
160
140
120
Id (uA)
100
80
60
40
20
0
-1
-0,8
-0,6
-0,4
-0,2 -20 0
0,2
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 2.
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;
P
V12 560  103

 P  5,6 .W
R1 100  103
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 mm2 e por m2,
para o circuito da figura 7;
A  0,5  0,8  0,4mm 2

5,6  .W
   14  .W / mm 2
0,4mm 2
   14W / m 2
c) Qual seria a área de célula solar necessária para gerar uma
potência de saída de 1 W;
1m 2      14.W
A        1.W
1
A  m2
14
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.