Interface SW500 Fonte de tensão AC/DC ajustável Placa de conexões e resistor Placa com diodos Sensor de corrente Fios e cabos
Figura 1. Materiais necessários para a realização desta experiência.
1- INTRODUÇÃO
1.1- METAIS, ISOLANTES E SEMICONDUTORES
Para se descrever convenientemente as propriedades dos semicondutores é necessário explicá-los com base na mecânica quântica. Neste primeiro contato será suficiente para o presente propósito a descrição simples dos resultados da teoria, sem tocar nos argumentos e provas.
A Figura 2 apresenta as representações gráficas das bandas de energia nos materiais metálicos, isolantes e semicondutores.
Num metal, Figura 2a, os elétrons preenchem completamente os níveis de energia até um máximo de energia WF. Acima deste valor, existe uma banda
de energias permitidas, mas não ocupadas, salvo por alguns elétrons excitados termicamente. Estes níveis de energia não ocupados são essenciais na condução metálica. Para que haja condução é necessário que estes elétrons ganhem energia e que eles passem então a ocupar os níveis de energia acima do WF.
No caso de isolantes, Figura 2b, os elétrons ocupam todos os níveis de energia possíveis e, portanto não podem adquirir energia maior, isto é, não haverá condução.
Figura 2. Representação gráfica das bandas de energia em materiais. No caso de semicondutores, Figura 2c, existe uma banda de energias proibidas de largura WG situada entre a banda de valência e a banda de níveis
de energia permitida (banda de condução). Se por algum mecanismo for possível fornecer uma quantidade energia superior a WG aos elétrons, eles poderão
passar para a banda de condução, permitindo, portanto estabelecer então uma corrente elétrica.
Por outro lado, note que tais elétrons deixarão níveis de energia disponíveis na banda de valência para que os elétrons se movam. O movimento efetivo destes elétrons pode então ser imaginado como uma condução causada pelas lacunas na distribuição de energia.
1.2- SEMICONDUTORES INTRÍNSECOS
Materiais semicondutores são aqueles cuja condutividade está entre a dos metais e a dos isolantes. Dentre os semicondutores, os mais importantes são o silício e o germânio que na fase sólida apresentam cada átomo ligado a quatro outros por ligações covalentes. Portanto, cristais perfeitos desses materiais à temperatura de zero Kelvin, apresentam condutividade nula, pois não há elétrons livres para a condução.
Em temperaturas superiores, algumas ligações são rompidas devido à agitação térmica liberando elétrons para o processo de condução. Os elétrons que faltam nas ligações se comportam como portadores de cargas positivas e são denominadas lacunas. Cada ligação rompida fornece dois portadores, um de carga negativa o elétron e um de carga positiva a lacuna que sob ação de um campo elétrico deslocam-se em direções opostas. Estes pares elétrons lacuna podem eventualmente se recombinar, mas a cada temperatura existe uma determinada quantidade de elétrons e de lacunas disponíveis para a condução. Portanto, devido ao fato da condução ter origem no rompimento das ligações, a condutividade num semicondutor puro ou intrínseco, aumenta com a elevação da temperatura, ao contrário do que ocorre nos metais.
1.3- SEMICONDUTORES EXTRÍNSECOS
para completar as ligações isto é, serão criadas lacunas que se comportarão como partículas de carga +e. Em outras palavras, os portadores majoritários são lacunas e o cristal será um semicondutor extrínseco tipo P.
A possibilidade de se controlar a condutividade de um semicondutor através da dopagem permite a exploração de muitas aplicações tecnológica tais como confecção de diodos, transistores, fotodiodos, lasers, etc.
1.4- DIODO SEMICONDUTOR
A junção de dois cristais com tipos de dopagens diferentes, um do tipo N e outro do tipo P, permite a construção de diodos. Na região da junção ocorre um fenômeno de difusão térmica onde elétrons livres se recombinam com lacunas, tornando a região próxima à junção praticamente isolante. A Figura 3 apresenta os modos de polarização e exemplo de uma curva característica de um diodo.
1.4.1-POLARIZAÇÃO DIRETA
O diodo estará ligado em polarização direta quando o pólo positivo está ligado ao cristal P e negativo ao cristal N como na Figura 3b. A região livre de cargas nas imediações da junção ficará mais estreita, devido à recombinação explicada no item anterior. Assim, a condução será aumentada quanto maior for o aumento da tensão aplicada. Veja o ramo direito da Figura 3c.
1.4.2- POLARIZAÇÃO INVERSA
O diodo está com polarização inversa quando o pólo positivo da fonte está ligado no cristal N e com o negativo ao cristal P como mostra a Figura 3a. A região livre de cargas perto da junção ficará maior, dificultando a passagem da corrente como está ilustrado no ramo esquerdo da Figura 3c.
Figura 3. Polarização (a) indireta, (b) direta e (c) exemplo de uma curva
característica de um diodo.
Pelo que foi explicado nos itens anteriores, concluímos ser o diodo um dispositivo que permite facilmente a passagem da corrente em apenas um sentido.
1.4.3- DIODO ZENER
Além dos fenômenos descritos ocorrem outros igualmente importantes. Por exemplo, em polarização inversa, a região da junção se comporta como um capacitor, cuja capacitância é crescente com a tensão. Entretanto, um campo elétrico muito intenso poderá quebrar as ligações covalentes o que é denominado de "breakdown" gerando portadores que colidindo com os átomos da rede vão criando mais portadores e assim por diante, num processo denominado de avalanche.
Para um dado material, o fenômeno de avalanche ocorre numa tensão bem determinada denominada de tensão Zener. Diodos projetados para operar nessas condições são denominados diodos Zener e são empregados em reguladores de tensão.
2- PROCEDIMENTO
Monte o circuito da Figura 4 usando um dos diodos. Note que a placa experimental possui 3 diodos sendo: 1 de Germânio, 1 de Silício e um diodo emissor de luz (LED) de Arseneto de Gálio. Ligue o Sensor de tensão ao canal A e o Sensor de corrente ao canal B. A fonte de tensão a ser utilizada será a fonte de tensão variável.
Figura 4. Esquema do circuito elétrico para estudo de diodos. Configure os sensores da seguinte forma:
Para o Canal A: Sensor de tensão
Taxa de amostras = 100 Hz, e Opções sensor de amostragem 10X
Para o Canal B: Sensor de corrente
Taxa de amostragem = 100 Hz, Parada: Corrente superior a: Verificar antes qual o valor máximo da corrente para cada tipo de diodo e usar este valor
como critério de paradae Opções sensor de amostragem 10X
Certifique-se que o botão giratório da fonte ajustável está no mínimo (todo girado no sentido anti-horário).
2.1 – Inicie a coleta de dados e varie de forma rápida e uniforme a tensão na fonte de zero até o valor máximo.
2.2- Colete os valores de tensão e corrente numa tabela para posterior confecção do gráfico.
Repita este processo para cada um dos diodos da placa.
2.3- No caso do LED, repita o experimento utilizando a interface como um multímetro (sem parada automática) para determinar o valor da tensão que o diodo LED acenderá. Anote essa tensão.
2.4- Utilizando o programa Excel construa um gráfico I versus V dos três diodos (três curvas num único gráfico para facilitar a comparação e discussão dos resultados obtidos).
2.5- Encontre os valores da tensão de limiar de condução para cada diodo e discuta o comportamento da curva I x V obtida para cada diodo, assim como as diferenças entre elas.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRAFICAS
1. Albert Malvino e David J. Bates. Eletrônica Volume 1, 7a Edição. McGraw-Hill Interamericana do Brasil Ltda, São Paulo, SP, 2008.
2. H. Moysés Nussenzveig, Curso de Física Básica 3 - Eletromagnetismo. 1a
edição, Editora Edgard Blucher, São Paulo, SP, 1997.
