Teoria de semi-condutores, levantamento de curva característica do diodo de junção

UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ[pic 1]

CREATIVE CONSULTORIA

        

Eletrônica Analógica I

Membros da equipe:

Luiz Carlos Souza Junior                P1

Marcus Paulo Costa Carvalho        P1

Prof.: Renan

 

23 de agosto de 2015

RESUMO

Este relatório tem por finalidade introduzir um pouco o assunto de diodos de junção feitos à base de materiais semicondutores. Tais materiais podem ser de silício ou germânio.

Aqui também se apresenta o diodo 1N4148 e suas principais características elétricas. Ao longo da apresentação mostra-se as curvas características deste componente eletrônico e como consegui-las na prática utilizando equipamentos laboratoriais.

Os passos para a obtenção encontram-se muito bem detalhadas aqui, e qualquer pessoa conseguirá no futuro repetir o que aqui foi dito. Além de muito bem explicados os passos há também várias fotos para o melhor entendimento possível de como proceder nas montagens dos circuitos. Os valores de tensão e corrente obtidos em laboratório poderão não ser exatamente os que se apresentam aqui, mas serão muito próximos, se feito todos os procedimentos corretamente.

Na parte teórica explica-se o que é tensão Zener o efeito avalanche, tipos de polarização em um diodo, diferenças entre o diodo real e o diodo ideal, o que é a barreira potencial, o que é o PIV ou PRV, curva do diodo ideal e outros parâmetros.

E apresenta-se no final de maneira sucinta, um circuito que pode ser uma forma mais rápida e eficiente de como testar diodos, reduzindo o tempo gasto em testes laboratoriais.

INTRODUÇÃO TEÓRICA

Diodos semicondutores de junção são feitos por meio da junção de dois matérias muito parecidos, mas diferem em sua dopagem. Esses materiais são geralmente silício ou germânio dopados com impurezas do tipo N (trivalente) ou do tipo P (penta valente).

O ânodo de um diodo semicondutor (lado tipo P) é a parte em que tem moléculas formadas por átomos tetravalentes e trivalentes. Quando uma fonte de alimentação é conectada ao diodo pela polarização direta, que é feita conectando ao terminal negativo da fonte de alimentação no catodo do diodo e o terminal positivo da fonte no anodo do diodo, os elétrons (carga negativa) irá em direção ao terminal positivo sendo repelido pelo negativo. Existe uma camada de depleção onde é a área onde estes íons ficam. Camada de depleção age como uma barreira impedindo a continuação da difusão de elétrons livres através da junção.

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Figura 1 - diodo semicondutor

No anodo são formados íons negativos com carga -1, e no catodo são formados íons positivos com carga +1. A camada de depleção consegue não deixar mais os elétrons passa para o anodo quando o anodo fica com muitos íons negativos com carga -1 formados. Essas cargas -1 dos íons negativos repelem os elétrons livres do catodo quando a soma dessas cargas for um valor suficiente para isso.

O diodo apresenta uma queda de tensão conhecida como barreira potencial, tensão de joelho ou tensão de limiar. Tal é de 0,3V para diodos de germânio e 0,7V para diodos de silício. A diferença de potencial através da camada de depleção é chamada barreira de potencial. Temperatura, quantidade de elétrons, tipo de semicondutor influenciam na barreira potencial limiar, por isso testes são feitos à 25°C.

Os diodos possuem dois tipos de polarização, a polarização direta e reversa. Na polarização direta, nos diodos ideais, funciona como uma chave fechada (curto) e na polarização reversa, funciona como uma chave aberta.

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Figura 2- curva ideal do diodo

Mas na realidade o diodo possui uma resistência interna e uma capacitância, que, dependendo da frequência, perde todas suas características. O diodo real se aproxima deste circuito equivalente:

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Figura 3- circuito equivalente do diodo real

Mas para maioria dos circuitos podemos considerar apenas o circuito simplificado, que possui apenas o resistor e a queda de tensão de seu funcionamento.

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Figura 4- curvas características do diodo

A curva real do diodo é dada pela seguinte fórmula:

I = I0 (eqV/kT − 1)

Onde: I: corrente no diodo em ampères (A).

I0: corrente de saturação (A).

q: carga do elétron (≈ 1,6 10−19 C).

V: tensão aplicada em volts (V).

k: constante de Boltzmann (≈ 1,38 10−23 J /K).

T: temperatura da junção em kelvin (K).

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Figura 5- curva real do diodo

Nota-se que no gráfico que há uma região onde há a ruptura do diodo. Para que não haja a destruição do componente existe no manual um parâmetro de tensão de pico reversa chamada de PIV ou PRV (peak reverse voltage ou peak inverse voltage em inglês) que deve ser respeitado à fim de preserva-lo.

A região após a tensão de ruptura nós chamamos região de avalanche, onde a tensão fica constante e o diodo passa a conduzir inversamente, essa tensão chamamos de tensão Zener. Existe um diodo, chamado diodo Zener que é projetado à fim de trabalhar nestas condições.

OBJETIVOS

Este relatório tem por objetivo explanar sobre os diodos de uma maneira geral, ensinar as maneiras de se fazer testes laboratoriais neste componente para verificar se ele encontra-se em seu estado perfeito de funcionamento, e apresentar algumas características do diodo 1N4148.

MATERIAIS E MÉTODOS

Para os testes envolvendo diodos, foi escolhido o 1N4148, pois, trata-se do diodo desenvolvido pela empresa em questão. Os dados a seguir foram tirados de um datasheet, que é o manual do componente, em inglês. Como trata-se de um componente fabricados por várias empresas, esses dados têm de ser iguais para todos os fabricantes.

Características do 1n4148:

Velocidade máxima de chaveamento rápido: 4ns

Tensão reversa continua máxima: 75V

Tensão de pico repetitiva máxima: 75V

Corrente repetitiva máxima em condução: 450mA