ESTUDO DIODOS ESPECIAIS , Pesquisas de Eletrônica Analógica. Universidade Metodista de Piracicaba (Unimep)
danielly-piassa
danielly-piassa16 de Maio de 2017

ESTUDO DIODOS ESPECIAIS , Pesquisas de Eletrônica Analógica. Universidade Metodista de Piracicaba (Unimep)

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FOTODIODO, equação equivalente, utilização, propriedades
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UNIVERSIDADE METODISTA DE PIRACICABA – UNIMEP FACULDADE DE ENGENHARIA, ARQUITETURA E URBANISMO

ENGENHARIA ELÉTRICA

DANIELLY PIASSA – R.A.: 15.2215-0

ELETRÔNICA ANALÓGICA I SEMINÁRIO DIODOS ESPECIAIS - FOTODIODO

Seminário apresentado na disciplina de “Eletrônica Analógica I” do 5º semestre do curso de Engenharia Elétrica, sob orientação do Professor Vicente Sablon, tendo como objetivo o estudo dos Diodos Especiais.

SANTA BÁRBARA D´OESTE Abril de 2017

SUMÁRIO

1. INTRODUÇÃO..............................................................................................................4 1.1 HISTÓRIA FOTODIODO......................................................................................................... 4

2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA................................................................................ 4 2.1 FOTODIODO............................................................................................................................ 4 2.2 FUNCIONAMENTO FÍSICO................................................................................................... 4 2.3 CARACTERÍSTICA VOLT – AMPÉRE.................................................................................. 4 2.4 EQUAÇÃO DO DISPOSITIVO................................................................................................4

2.5 CIRCUITO EQUIVALENTE FOTODIODO............................................................................ 4 2.6 APLICAÇÃO............................................................................................................................. 4

3. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS.........................................................................4

RESUMO

Materiais semicondutores são sólidos cristalinos que apresentam propriedade de

condutividade elétrica entre os extremos de um isolante e um condutor. Em elementos

semicondutores é possível variar sua condutividade elétrica pela alteração controlada de

sua composição química ou estrutura cristalina. Os principais semicondutores utilizados

são Germânio (Ge) e Silício (Si), porém a produção de silício é mais explorada por

apresentar uma ligação química mais eficaz. Devido às características impares dos

materiais semicondutores a sua utilização é fundamental na fabricação de componentes

eletrônicos tais como diodos, transístores e circuitos integrados. Diante disso o seminário

tem como objetivo o estudo de um dos principais elementos semicondutor, os diodos e seus

derivados denominados Diodos especiais, através da diversificação dos tipos de materiais e

da forma de construção e desenvolvimento de componentes semicondutores, foi possível

aproveitar resultados de fenômenos para o desenvolvimento dos diodos especiais.

1. INTRODUÇÃO 1. HISTÓRIA FOTODIODO

O desenvolvimento da tecnologia do fotodiodo surgiu a partir do desenvolvimento básico

do diodo de junção PN com início em 1940. As aplicações encontradas para uso do diodo

de junção PN foram além do uso básico de sinais de retificação, sendo possível aplica-los

para muitas outras aplicações de emissão de luz, absorção de fótons dentre muitas outras.

A tecnologia do fotodiodo foi sofisticada na década de 1950 e no fim dessa década foi

desenvolvido o fotodiodo PIN. A absorção de luz na ampla área de depleção da estrutura

PIN foi investigada pela primeira vez num documento publicado em 1959 pela Gartner.

Atualmente a produção de diodos de Silício é mais explorada devido as características

químicas do elemento, porém, o germânio também pode ser usado, e seu uso foi

demonstrado pela primeira vez em 1962 por Riesz.

2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA 2.1 FOTODIODO

É um dispositivo semicondutor de junção PN sensível à incidência de luz na junção

semicondutora. A junção PN é polarizada inversamente sendo assim a luz incidente produz

elétrons livre e lacunas, aumentando a concentração de portadores minoritários e

consequentemente o aumento da corrente de saturação, essa

corrente atua no circuito associado ao dispositivo. O fotodiodo tem a propriedade de variar

sua resistência elétrica em função da intensidade da luz incidente na junção. Sendo assim

na ausência de luz e inversamente polarizado o fotodiodo não conduz corrente elétrica

portando sua resistência elétrica é elevada. Normalmente os fabricantes fornecem gráficos

que indicam a variação da corrente de saturação em função da tensão reversa aplicada ao

diodo, tendo como parâmetro o fluxo luminoso que incide sobre a junção.

2.2 FUNCIONAMENTO FÍSICO

O silício é um semicondutor com uma energia na banda de gap de 1,12 eV à temperatura

ambiente. Esta é a diferença entre a banda de valência e a banda de condução. Na

temperatura zero absoluta, a banda de valência está completamente cheia e a banda de

condução está vazia. À medida que a temperatura aumenta, os elétrons tornam-se agitados

e escalam da banda de valência para a banda de condução por energia térmica. Se a energia

luminosa (fótons) aplicada ao fotodiodo for maior que o gap do material do semicondutor,

os elétrons de valência ganham força para romper a ligação com o átomo pai. Os elétrons

resultantes na banda de condução são livres para conduzir a corrente.

Figura 4 - Banda de condução e valência semicondutor de Si

Devido ao gradiente de concentração, onde o lado n tem um excesso de elétrons com

respeito ao lado p e similarmente o lado p tem um excesso de buracos com relação ao lado

n, a difusão de elétron da região do tipo N para a região do tipo P e a difusão dos buracos

da região do tipo P para a região do tipo N desenvolve uma tensão incorporada através da junção. A Interdifusão de elétrons e buracos entre as regiões N e P através da junção resulta

em uma região sem portadores livres, chamada de região de depleção. Quando fótons de

energia superior a 1,12 eV atingem o diodo, os pares de elétrons-buracos são criados. A

intensidade da absorção de fótons depende da energia dos fótons negativos quanto menor a

energia dos fótons, mais profunda é a absorção. Este processo é conhecido como o efeito

fotoelétrico interno.

Os portadores minoritários na região de exaustão experimentam força devido ao campo

elétrico da região de depleção e ao campo elétrico externo. Por exemplo, os elétrons livres

na região de depleção experimentam força repulsiva e atrativa a partir dos íons negativos e

positivos presentes na borda da região de depleção nos lados P e N. Como resultado,

elétrons livres se movem em direção à região N, quando atingem a região são atraídos para

os terminais positivos da bateria. Da mesma forma, os furos se movem em direção oposta.

Figura 5- Junção PN Fotodiodo

A corrente reversa e o fluxo luminoso variam quase que linearmente, ou seja, um aumento na intensidade luminosa resultará em um aumento semelhante na corrente reversa, mediante a isso a corrente reversa é nula na ausência de luz incidente. A soma da foto correntes e correntes escuras, que fluem com ou sem luz, é a corrente total que passa através do fotodiodo. A sensibilidade do dispositivo pode ser aumentada minimizando a corrente escura.

2.3 MODOS DE OPERAÇÃO

Um fotodiodo de silício pode ser operado em um dos dois modos sendo eles modo fotovoltaico ou modo fotocondutor. A seleção do modo de operação do fotodiodo depende dos requisitos especifico da aplicação que será utilizado.

Um fotodiodo de silício pode ser operado no modo fotovoltaico ou fotocondutor. No modo fotovoltaico, o fotodiodo é não desvio; enquanto que para o modo fotocondutor, é aplicado um viés reverso externo. A seleção do modo depende dos requisitos de velocidade da aplicação e da quantidade de corrente escura que é tolerável. No modo fotovoltaico, a corrente escura é mínima. Os fotodiodos exibem as suas velocidades de comutação mais rápidas quando operados no modo fotocondutor.

2.3.1 MODO FOTO CONDUTIVO

Neste modo o fotodiodo é polarizado inversamente por uma fonte externa, opta-se por utilizar esse modo em aplicações que requerem velocidade. A tensão inversa aumenta a largura da camada de depleção, o que por sua vez reduz o tempo de resposta e capacitância da junção. A aplicação de polarização inversa aumenta o ruído e a corrente escura.

Figura 6 - Arranjo Básico Modo Fotocondutor

2.3.2 MODO FOTOVOLTAICO

No modo fotovoltaico, o fotodiodo não é polarizado, sendo assim não recebe nenhuma tensão externa. Desse modo a tensão gerada no circuito é deriva da luz incidente no fotodiodo. Devida a tensão gerada ser muito baixa, é comum a utilização de amplificadores operacionais, outra característica do modo é que o pulso de saída é invertido em relação ao pulso de luz na entrada. Os fotodiodos operados em modo fotovoltaico são geralmente utilizados para aplicações de baixa frequência (até 350kHz) ou para detectar baixos níveis de luz.

Figura 7 - Ligação Básica Modo Fotovoltaico Figura 8 - Ligação utilizando Amp. Operacional

TIPO FOTO DIODO

PN – DIAGRAMA FISICO E PIN MAIS UTILIZADOS ENTRE TODAS AS VERSÕES SHOTTKY APD PIN – APLICAÇÕES DE ALTO VELOCIDADE, ESTRUTURA PIN O TEMPO DE RESPOSTA É MAIS RAPIDO

Tipos de fotodíodo Embora o termo fotodiodo é amplamente utilizado, há realmente uma série de diferentes tipos de tecnologia fotodiodo que pode ser usado. Como elas oferecem propriedades diferentes, as diferentes tecnologias de fotodiodo são usadas em diferentes áreas.

Fotodiodo PIN: Este tipo de fotodiodo é uma das formas mais utilizadas de fotodiodo hoje. Embora o PIN ou pino dispositivo não fosse o primeiro tipo de fotodiodo a ser utilizado, ele coleta os fótons de luz mais eficientemente que o fotodiodo PN, e também oferece uma capacitância menor.

Photodiode PN: O fotodiodo PN foi a primeira forma de fotodiodo a ser desenvolvido e utilizado. Hoje em dia, não é tão amplamente utilizado como outros tipos que são capazes de oferecer melhores parâmetros de desempenho. No entanto, ainda é usado em alguns casos.

Fotodiodo Avalanche (APD): A tecnologia de fotodiodo Avalanche é usada em áreas de pouca luz. O fotodiodo avalanche oferece níveis muito altos de ganho, mas contra isso tem altos níveis de ruído. Consequentemente, esta tecnologia não é adequada para todas as aplicações.

Fotodiodo de Schottky: Como o nome indica, a tecnologia de fotodiodos Schottky é baseada no diodo Schottky. Em vista da baixa capacitância do diodo pequeno, oferece uma capacidade de alta velocidade e é usado em sistemas de comunicação de larga escala

2.3 CARACTERÍSTICA VOLT – AMPÉRE

CARACTERÍSTICAS I-V A característica corrente-tensão de um fotodiodo sem luz incidente é semelhante a um diodo retificador. Quando o fotodiodo está polarizado para a frente, há um aumento exponencial na corrente. Quando um viés reverso é aplicado, uma pequena corrente de saturação reversa aparece. Está relacionado com a corrente escura como: (7) Onde ID é a corrente escura do fotodíodo, ISAT é a corrente de saturação inversa, q é a carga do elétron, VA é a tensão de polarização aplicada, kB = 1,38 x 10-23 J / K, Constante de Boltzmann e T é a temperatura absoluta 273 K = 0 ºC).

2.4 EQUAÇÃO DO DISPOSITIVO

2.5 CIRCUITO EQUIVALENTE FOTODIODO

2.6 APLICAÇÃO

3. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

Boylestad L. R. Dispositivos Eletrônicos e Teoria de circuitos;

F.G. Capuano e M.A.M Mariano Laboratório de Eletricidade e Eletrônica;

CRUZ, Eduardo Cesar Alves; MARQUES, JÚNIOR, Salomao Choueri. Dispositivos

Semicondutores, Diodos e Transistores. [S.l.]: Érica Ltda, 2003.

POOLE, Ian . Photodiode technology. Disponível em: <http://www.radioelectronics.com/

info/data/semicond/photo_diode/photo_diode.php>. Acesso em: 02 abr. 2017.

PHOTODIODE Theory of Operation. Disponível em: <https://www.aptechnologies.co.uk/

support/photodiodes/photodiode-theory-of-operation>. Acesso em: 02 abr. 2017.

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