Este documento discute as curvas características do diodo, LED e célula fotovoltaica. Descreve como os dispositivos foram testados em um circuito variando a tensão e medindo a corrente. As curvas obtidas mostram que a corrente é nula na polarização inversa e cresce exponencialmente na polarização direta para o diodo e LED, enquanto a célula fotovoltaica gera corrente sem aplicação de tensão sob iluminação.

1. Universidade Estadual de Londrina
Centro de Ciências Exatas
Departamento de Física
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Curvas características do diodo,
LED e célula fotovoltaica
Débora Rodrigues Rocha
Disciplina: Física dos dispositivos semicondutores
Docente:Edson Laureto
Londrina, 06 de julho de 2017

2. 1. INTRODUÇÃO
Os elétrons livres são os responsáveis pela condução de corrente elétrica nos
materiais. Desta forma, um material pode ser considerado isolante, condutor ou
semicondutor dependendo de sua configuração eletrônica. Essa classificação pode ser
visto na Figura 1 abaixo:
Figura 1: Bandas de valência, banda proibida e banda de condução de: isolantes,
condutores e semicondutores1.
Em um material isolante, a banda de condução está completamente preenchida por
elétrons, e a banda de valência vazia. A diferença de energia entre os dois níveis, chamado
de GAP ou espaço proibido, é da ordem de 5 eV. Já em um material condutor, a banda de
valência apresenta-se completamente preenchida de elétrons, mas a banda de condução
não. A diferença entre os níveis de condução e valência em um condutor é muito pequena,
o que permite que os elétrons “saltem” com mais facilidade para a banda de condução
(precisam de pouca energia).
No material semicondutor a banda de valência também se encontra
completamente preenchida e a banda de condução vazia, como no caso do isolante, porém
o GAP (espaço proibido) é bem menor, da ordem de 1 eV. Essa diferença de energia entre
a banda de valência (BV) e a banda de condução (BC) corresponde à energia necessária
a ser dada para um elétron “saltar” da BV para a BC. De forma geral, a condutividade
elétrica é devida somente aos elétrons (portadores de carga negativa) em bandas
parcialmente cheias, mas nos semicondutores a condutividade também é causada pelos
buracos na banda de valência. Estes buracos são formados quando o elétron salta para a
banda de condução, e chamados portadores de carga positiva2.
1 Figura retirada de<http://mundoeducacao.bol.uol.com.br/fisica/semicondutores.htm>. Acesso em
04/07/2017.
2 Semicondutor, Wikipedia.<https://pt.wikipedia.org/wiki/Semicondutor>.Acesso em 05/07/2017.

3. Existe ainda a chamada dopagem dos materiais semicondutores. Neste processo
são adicionadas impurezas pentavalentes (P, As) nos semicondutores para que estes
tenham caráter doador de carga (tipo N), com excesso de elétrons, ou impurezas
trivalentes (B, Al, Ga) para que estes tenham caráter aceitador de carga (tipo P), com
excesso de buracos. A partir destes semicondutores dopados é possível fazer junções
do tipo p-n, p-n-p ou n-p-n, por exemplo, que apresentam aplicações práticas úteis.
Os dispositivos semicondutores são importantes na fabricação de componentes
eletrônicos tais como diodos, transístores e outros de diversos graus de complexidade
tecnológica, microprocessadores, e nanocircuitos usados em nanotecnologia.
1.1 Diodo semicondutor
Quando utilizado em um circuito, o diodo semicondutor (existem outros tipos,
também) é um componente que permite a passagem de corrente em um sentido de
polarização da tensão, mas não no outro. Isso ocorre devido às características de
funcionamento do diodo de junção p-n, como mostrado na Figura 2.
Figura 2: Funcionamento da junção p-n e condução elétrica no semicondutor.
Os elétrons do lado N e os buracos do lado P são forçados a irem em direção ao
centro devido ao campo elétrico fornecido pela fonte de tensão. Os elétrons e buracos se
recombinam fazendo com que a corrente flua através do diodo. Essa é a polarização
direta3.
Se polarizado diretamente, um diodo em série com uma resistência faz com que
haja uma queda de tensão muito maior do que a que se observa em chaves mecânicas, por
3 Edgar Maciee Edson Muleia,<https://www.slideshare.net/Eletronica2017/diodos-aula>.Acesso em
05/07/2017.

4. exemplo. Se a tensão é de 10 V, no caso de um diodo de Si (GAP ~0,7 V), há uma queda
na tensão de 9,3 V na resistência, pois 0,7 V fica no diodo. Na polarização inversa o diodo
faz o papel de uma chave aberta, pois não permite a circulação de corrente.
1.2 Diodo emissor de luz (LED)
O LED também é um diodo semicondutor de junção p-n. Quando submetido à
diferença de potencial este dispositivo emite luz visível, com intensidade proporcional à
corrente que flui através dele. Na junção p-n polarizada diretamente, próximo a junção
(Figura 2) ocorrem as recombinações de buracos e elétrons. Essa recombinação exige que
a energia dos elétrons seja liberada, o que ocorre na forma de calor ou fótons de luz4. Nos
diodos de Si e Ge, por exemplo, a maior parte da energia é liberada na forma de calor. Já
em outros materiais, como o arsenieto de gálio (GaAs) ou o fosfeto de gálio (GaP), a
quantidade de fótons de luz emitida é suficiente para ter-se fontes luz. A cor da luz emitida
depende do material utilizado e do nível de dopagem. O diagrama de montagem do LED
é mostrado na Figura 3 abaixo.
Figura 3. Estrutura do LED, mostrando a pastilha de material semicondutor
(semicondutor chip)5.
1.3 Célula fotovoltaica
Células solares convencionais, usadas para converter energia solar em energia
elétrica, são fotodiodos de grandes superfícies. Um fotodiodo é um dispositivo
4 Diodo emissor de luz.Wikipedia.<https://pt.wikipedia.org/wiki/Diodo_emissor_de_luz>.Acesso em
05/07/2017.
5 LUZeLED. <http://luzeled.com.br/led/>. Acesso em 05/07/2017.

5. semicondutor que converte luz em corrente elétrica6, normalmente feitos de uma
junção p-n (Figura 2). Quando um fóton incide sobre o dispositivo, ele cria um par
elétron-buraco (portadores minoritários). Se isso ocorre nas vizinhanças da região de
depleção (região próxima à junção dos materiais P e N, onde ocorre a recombinação
dos elétrons com buracos), as partículas do par serão aceleradas em direções opostas
pela força eletrostática. Os elétrons migrarão para o cátodo (lado N) e os buracos para
o ânodo (lado P). Este movimento dá origem a uma corrente elétrica reversa no
fotodiodo, como mostrado na Figura 4.
Figura 4: Funcionamento do fotodiodo. Corrente gerada pela ecombinação
elétron/lacuna (buraco) na região de depleção (seta preta para a esquerda), e
fotocorrente reversa (seta preta para a direita)7.
Se nenhuma diferença de potencial é aplicada aos terminais do fotodiodo, é
dito que este opera no modo fotovoltaico, e o fluxo de corrente para fora do
dispositivo gerará uma diferença de potencial entre seus terminais. Esta configuração
é utilizada em painéis solares fotovoltaicos.
2. OBJETIVO
Obter as curvas características dos dispositivos semicondutores, sendo estes
polarizados de forma direta e inversa, e verificar as suas propriedades: diodo, diodo
emissor de luz (LED) e célula fotovoltaica.
6 Fotodiodo. Wikipedia.<https://pt.wikipedia.org/wiki/Fotodiodo>.Acesso em 05/07/2017.
7 Thiago Sebatsião de Oliveria Coelho.Proposta de unidadedidática paraa aprendizagemsignificativade
conceitos de física moderna e contemporânea.
<https://mnpef.catalao.ufg.br/up/607/o/Produto_Thiago_Sebasti%C3%A3o.pdf>. Acesso em
05/07/2017.

6. 3. METODOLOGIA
As curvas características dos dispositivos semicondutores (diodo, LED e célula
fotovoltaica) podem ser obtidas através de um circuito com os seguintes componentes:
fonte de tensão, resistor e dispositivo a ser analisado. São utilizados dois multímetros na
montagem para fazer a tomada de dados. Um é colocado em série com o dispositivo, para
medir a corrente, e outro em paralelo, para medir a tensão. Os dados coletados são
utilizados para plotar gráficos I x V de cada dispositivo, e assim são obtidas as suas
respectivas curvas características.
4. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL
Materiais utilizados na realização do experimento:
 Fonte de tensão
 Dois multímetros
 Cabos de conexão
 Suportes para montagem
 Resistor, diodo de Si, LED, célula fotovoltaica
A Figura 5 mostra o esquema do circuito utilizado, com um resistor em série com
o dispositivo semicondutor a ser estudado, um voltímetro entre os terminais do diodo e
um amperímetro em série com o mesmo:
Figura 5: Esquema de montagem do circuito para medir as curvas características do diodo,
LED e célula fotovoltaica.
A seta “i” indica o sentido da corrente para a polarização direta.

7. Foi feita a montagem do circuito indicado na Figura 5, primeiramente para o diodo
de silício (Si). Neste caso a tensão foi variada de -5,00 V a 0,66 V. Foram anotados os
valores de corrente e tensão mostrados nos multímetros. Após a medida com o diodo, foi
feita a medida com o LED, variando-se a tensão de -5,00 V a 1,94 V. Finalmente, foi feita
a medida com a célula fotovoltaica, sem a utilização do resistor no circuito. A tensão foi
variada de -0,75 V a 0,57 V no claro (lâmpada próxima à célula acesa), e -0,63 V a 0,57
V no escuro (luzes da sala apagadas, estando aceso apenas o monitor do computador). Os
dados colhidos foram plotados no Origin® para análise e discussão.
5. ANÁLISE E DISCUSSÃO
A Tabela 1 mostra os dados que foram colhidos na primeira tomada de dados, com
o diodo de Si. Na primeira coluna tem-se a tensão medida nos terminais do dispositivo e
na segunda os valores de corrente no mesmo.
Tensão (V) Corrente (mA)
-5,00
-4,10
-2,51
-1,84
-1,07
-0,40
0,07
0,19
0,29
0,46
0,54
0,57
0,59
0,60
0,61
0,63
0,64
0,65
0,66
-4E-4
-3E-4
-1E-4
-1E-4
0
0
0
0
0
0,08
0,43
0,85
1,31
1,86
2,32
3,24
4,21
5,14
6,12
Tabela 1: Valores de tensão e corrente para o diodo de Si.
O Gráfico 1 foi plotado com os dados da Tabela 1, e mostra a curva característica
para o diodo:

8. -5 -4 -3 -2 -1 0 1
0
1
2
3
4
5
6
7
Correnteelétrica(mA)
Tens‫م‬o (V)
DIODO
Gráfico 1: Curva característica para o diodo de Si.
A princípio observou-se que, apesar de aumentar a tensão a partir de -5,0 V, a
corrente manteve-se nula até um valor de tensão. A partir de certo ponto, ~0,50 V, o valor
da corrente deixou de ser nulo. Isso ocorre porque o diodo não permite a passagem de
corrente na polarização inversa (valores de tensão negativos), e porque só há corrente
quando existe energia suficiente para os elétrons da banda de valência saltarem para a
banda de condução (~0,6 V para o Si). A partir deste ponto, a corrente cresce
exponencialmente.
A Tabela 2 contém os dados coletados para o diodo emissor de luz (LED):
Tensão (V) Corrente (mA)
-5,04
-4,05
-3,00
-2,00
-1,04
-0,07
0,07
0,45
0,69
1,19
1,60
1,71
1,76
1,79
1,81
1,83
1,86
1,89
1,92
-4E-4
-3E-4
-2E-4
-1E-4
0
0
0
0
0
0
0,07
0,54
1,23
1,84
2,37
3,14
4,14
5,99
7,92

9. 1,94 9,88
Tabela 2: Valores de tensão e corrente para o diodo emissor de luz (LED).
O Gráfico 2 foi plotado com os dados da Tabela 2, e mostra a curva característica
para o LED:
-6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2
0
2
4
6
8
10Correnteelétrica(mA)
Tensão (V)
LED
Gráfico 2: Curva característica para o diodo emissor de luz (LED).
Analogamente ao diodo de Si, a corrente permanece nula para polarização inversa
(tensão negativa) e até certo valor para polarização direta (tensão positiva). A luz emitida
pelo LED aumentou sua intensidade junto ao aumento de corrente observada
graficamente. O ponto em que o dispositivo começou a conduzir corrente elétrica foi de
~ 1,6 V, que é o GAP para o LED vermelho e corresponde a ~600nm.
Os dados obtidos com a célula fotovoltaica no escuro (luzes da sala apagadas,
apenas o monitor do computador aceso) são mostrados na Tabela 3, enquanto os que
foram obtidos no claro (lâmpada acesa próxima à célula) são mostrados na Tabela 4:
Tensão (V) Corrente (mA)
-0,76
-0,56
-0,38
-0,29
-0,15
0,07
0,13
0,24
0,23
0,32
0,39
0,40
-66,8
-47,5
-31,2
-22,9
-11,1
5,10
9,50
14,4
17,8
27,7
37,3
41,6

10. 0,51
0,57
94,4
198
Tabela 3: Valores de tensão e corrente para a célula fotovoltaica no escuro.
Tensão (V) Corrente (mA)
-0,631
-0,479
-0,372
-0,125
0,218
0,264
0,420
0,518
0,544
0,572
-72,0
-57,5
-48,1
-27,1
-0,60
3,70
29,5
86,1
125,2
191,2
Tabela 4: Valores de tensão e corrente para a célula fotovoltaica no claro.
Os dados mostrados nas tabelas foram plotados conjuntamente, como visto no
Gráfico 3 abaixo:
-0,8 -0,6 -0,4 -0,2 0,0 0,2 0,4 0,6
-100
-50
0
50
100
150
200
Corrente(mA)
Tensão (V)
Escuro
Claro
Gráfico 3: Curvas características da célula fotovoltaica no escuro e no claro. A
curva no claro é deslocada para baixo.
Notou-se que a curva no claro foi deslocada para baixo. Isso ocorre devido à corrente
fotogerada, que é no sentido inverso da corrente de condução, fazendo com que a
intensidade líquida da corrente seja diminuída.

11. 6. CONCLUSÕES
Os resultados foram satisfatórios e as propriedades dos dispositivos
semicondutores verificadas, de acordo com a literatura. A partir do circuito montado foi
possível colher os dados e obter graficamente as curvas características do diodo, diodo
emissor de luz (LED) e célula fotovoltaica. A curva para o diodo mostrou que é permitido
o fluxo de corrente apenas no sentido da polarização direta, e que há um valor específico
a partir do qual a corrente cresce exponencialmente. Esse valor corresponde ao GAP do
material dominante do qual é composto o dispositivo (junção p-n).
Para o diodo emissor de luz (LED) o resultado foi análogo ao diodo, com a
diferença de que, a partir do ponto em que há fluxo de corrente, o LED começa a emitir
luz. Essa luz tem intensidade proporcional à tensão que é aplicada ao dispositivo.
Na célula fotovoltaica foram observadas as curvas características no escuro e no
claro, mostrando um deslocamento para baixo na curva para o claro, o que indica a
existência de uma corrente inversa fotogerada. Ou seja, a luz que é irradiada na célula
diminui a corrente líquida medida nos terminais do semicondutor.
7. REFERÊNCIAS
[1] CAVALCANTE, K. Semicondutores, Mundo Educação. <
http://mundoeducacao.bol.uol.com.br/fisica/semicondutores.htm >. Acesso em:
04/07/2017.
[2] Wikipedia. Semicondutor. < https://pt.wikipedia.org/wiki/Semicondutor >. Acesso
em 05/07/2017.
[3] MACIE, E., MULEIA E., Aula sobre diodos. <
https://www.slideshare.net/Eletronica2017/diodos-aula >. Acesso em 05/07/2017.
[4] Wikipedia. Diodo emissor de luz. <
https://pt.wikipedia.org/wiki/Diodo_emissor_de_luz >. Acesso em 05/07/2017.
[5] LUZeLED. < http://luzeled.com.br/led/>. Acesso em 05/07/2017.
[6] Wikipedia. Fotodiodo. < https://pt.wikipedia.org/wiki/Fotodiodo >. Acesso em
05/07/2017.
[7] COELHO, T. S. de O. Proposta de unidade didática para aprendizagem significativa
de conceitos de física moderna e contemporânea. Dissertação de mestrado. Universidade
Estadual de Goiás. < https://mnpef.catalao.ufg.br/up/607/o/Produto_Thiago_
Sebasti%C3%A3o.pdf >. Acesso em 05/07/2017.