Junção PN

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Denomina-se junção PN a estrutura fundamental dos componentes eletrônicos comumente denominados semicondutores, principalmente diodos e transistores. É formada pela junção metalúrgica de dois cristais, geralmente silício (Si) e (atualmente menos comum) Germânio (Ge), de natureza P e N, segundo sua composição a nível atómico. Estes dois tipos de cristais são obtidos ao se dopar cristais de metal puro intencionalmente com impurezas, normalmente algum outro metal ou composto químico.

Silício puro ou intrínseco[editar | editar código-fonte]

Os cristais de silício são formados a nível atômico por uma estrutura cristalina baseada em ligações covalentes que se produzem graças aos 4 elétrons de valência do átomo de Silício. Cabe também mencionar as lacunas ou buracos que são o lugar deixado pelo elétron quando abandona a camada de valência e torna-se um elétron livre, isto é o que se conhece com pares elétron-lacuna e sua criação se deve à temperatura segundo as leis da termodinâmica. Em um semicondutor puro (intrínseco), à temperatura constante, a densidade de lacunas (p) é igual à densidade de elétrons livres (n).[1] :p.23-25

É possível calcular a densidade (concentração) de elétrons livres n_{i} em um semicondutor intrínseco, em função da temperatura T (em kelvin), pela seguinte expressão:[1] :p.24

n_{i} = 5.2 \times 10^{15} T^{3/2}exp(\frac{-E_{g}}{2kT}) \quad (eletrons/cm^{3}), onde

k = 1.38 \times 10^{-23} J/K é a constante de Boltzmann, e
E_g o valor do gap de energia, que é a energia necessária para retirar um elétron de uma ligação covalente. No caso do silício, E_g = 1.12eV.

Silício extrínseco (tipo-P)[editar | editar código-fonte]

Imagem de átomos de silício através de um STM. O silício é o principal elemento químico usado como semicondutor nos equipamentos eletrônicos.

Um semicondutor tipo-P é obtido através do processo de dopagem, adicionando-se um certo tipo de composto, normalmente trivalente, isto é, com 3 elétrons na camada de valência, ao semicondutor para aumentar o número de portadores de carga livres (neste caso positivas, lacunas). O boro é um elemento que pode ser usado na dopagem do silício, formando um semicondutor tipo-P.[1] :p.26

O propósito da dopagem tipo-P é criar abundância de lacunas. No caso do silício, uma impureza trivalente deixa uma ligação covalente incompleta, fazendo que, por difusão, um dos átomos vizinhos ceda-lhe um elétron completando assim as suas quatro ligações. Assim os dopantes criam as lacunas. Cada lacuna está associada com um íon próximo carregado negativamente, portanto o semicondutor mantém-se eletricamente neutro. Entretanto quando cada lacuna se move pela rede, um próton do átomo situado na posição da lacuna se vê "exposto" e logo se vê equilibrado por um elétron. Por esta razão uma lacuna comporta-se como uma carga positiva. Quando um número suficiente de aceitadores de carga são adicionados, as lacunas superam amplamente a excitação térmica dos elétrons. Assim, as lacunas são os portadores majoritários, enquanto os elétrons são os portadores minoritários nos materiais tipo P. Os diamantes azuis (tipo IIb), que contém impurezas de boro (B), são um exemplo de semicondutor tipo P que se produz de maneira natural.

Silício extrínseco (tipo-N)[editar | editar código-fonte]

Um semicondutor tipo-N é obtido através do processo de dopagem em que se adiciona um composto, normalmente pentavalente, isto é, com 5 elétrons na camada de valência, ao semicondutor para aumentar o número de portadores de carga livres (neste caso negativos, elétrons livres). O fósforo é comumente utilizado como dopante doador do silício, formando um semicondutor tipo-N.[1] :p.25

Quando o material dopante é adicionado, este aporta seus elétrons mais fracamente ligados aos átomos do semicondutor. Este tipo de agente dopante é também conhecido como material doador já que cede um de seus elétrons ao semicondutor.

O propósito da dopagem tipo N é o de produzir abundância de elétrons livres no material. Para ajudar a entender como se produz a dopagem tipo N considere-se o caso do silício (Si). Os átomos do silício têm uma valência atômica de quatro, portanto forma-se uma ligação covalente com cada um dos átomos de silício adjacentes. Se um átomo com cinco elétrons de valência, tais como os do grupo VA da tabela periódica [ex: fósforo (P), arsênico (As) ou antimônio (Sb)], se incorpora à rede cristalina no lugar de um átomo de silício, então este átomo terá quatro ligações covalentes e um elétron não ligado. Este elétron extra dá como resultado a formação de elétrons livres, o número de elétrons no material supera amplamente o número de lacunas, neste caso os elétrons são portadores majoritários e as lacunas portadores minoritários. Pelo fato de que os átomos com cinco elétrons de valência têm um elétron extra para "dar" eles são chamados átomos doadores. Note-se que cada elétron livre no semicondutor nunca está distante de um íon dopante positivo imóvel, e o material dopado tipo N geralmente tem uma carga elétrica líquida final igual a zero.

Barreira interna de potencial[editar | editar código-fonte]

Ao unir ambos os cristais, manifesta-se uma difusão de elétrons do cristal N ao P (Je).

Ao se estabelecer estas correntes aparecem cargas fixas em uma zona em ambos os lados da junção, zona que recebe diferentes denominações como barreira de potencial, região de depleção, zona de carga espacial, de esgotamento ou empobrecimento, de esvaziamento, etc.

À medida que progride o processo de difusão, a zona de carga espacial vai aumentando sua largura aprofundando-se nos cristais em ambos os lados da junção. A acumulação de íons positivos na zona N e de íons negativos na zona P, cria um campo elétrico (E) que atuará sobre os elétrons livres da zona N com uma determinada força de deslocamento, que se oporá à corrente de elétrons e terminará por detê-los. A criação de ions positivos na zona N (e negativos na zona P) deve-se que as impurezas N são pentavalentes, logo ao cederem o seu electron, há mais protons que electrons criando assim um íon positivo, da mesma maneira que a impureza P trivalente, ao ganhar um electron fica carregada negativamente pois fica com excesso de electrons relativamente aos protons.

Este campo elétrico é equivalente a dizer que aparece uma diferença de tensão entre as zonas P e N. Esta diferença de potencial de contato (V0) é de 0,7 V no caso do silício e 0,3 V se os cristais são de germânio.

Polarização direta da junção P-N[editar | editar código-fonte]

Para que um diodo esteja polarizado diretamente, temos que conectar o polo positivo da bateria ao anodo (zona P) do diodo e o polo negativo ao catodo (zona N). Nestas condições podemos observar que:

  • O polo negativo da bateria repele os elétrons livres do cristal N, de maneira que estes elétrons se dirigem à junção P-N.
  • O polo positivo da bateria atrai os elétrons de valência do cristal P, isto é equivalente a dizer que empurra as lacunas para a junção P-N.
  • Quando a diferença de potencial entre os bornes da bateria é maior que a diferença de potencial na zona de carga espacial P, os elétron livres do cristal N, adquirem a energia suficiente para saltar até as lacunas do cristal P, as quais previamente foram deslocadas para a junção P-N.
  • Uma vez que um elétron livre da zona N salta à zona P atravessando a zona de carga espacial, cai em uma das muitas lacunas da zona P convertendo-se em elétron de valência. Uma vez que isto ocorre o elétron é atraído pelo polo positivo da bateria e se desloca de átomo em átomo até chegar ao final do cristal P, através do qual introduz-se no fio condutor e chega à bateria.

Neste caso, a bateria diminui a barreira de potencial da zona de carga espacial (cedendo elétrons livres à zona N e atraindo elétrons de valência da zona P), permitindo a passagem da corrente de elétrons através da junção; isto é, o diodo polarizado diretamente conduz a eletricidade.

Polarização inversa da junção P-N[editar | editar código-fonte]

Neste caso o polo negativo da bateria é conectado à zona P e o polo positivo à zona N, o que faz aumentar a zona de carga espacial, e a tensão nesta zona até que se alcança o valor da tensão da bateria.

  • O polo positivo da bateria atrai os eletrons livres da zona N, os quais saem do cristal N e se introduzem no condutor no qual se deslocam até chegar à bateria. A medida que os eletrons livres abandonam a zona N, os átomos pentavalentes que antes eram neutros, ao verem-se desprendidos de seus eletrons no orbital de condução, adquirem estabilidade (8 eletrons na camada de valência, ver semicondutor e átomo) e uma carga eléctrica líquida de +1, o que os faz converterem-se em ions positivos.
  • O polo negativo da bateria cede eletrons livres aos átomos trivalentes da zona P. Recordemos que estes átomos só têm três electrons de valência, e uma vez que tenham formado as ligações covalentes com os átomos de silício, têm somente 7 electrons de valência, sendo o electron que falta denominado lacuna Acontece que quando estes electrons livres cedidos pela bateria entram na zona P, caem dentro destas lacunas com o que os átomos trivalentes adquirem estabilidade (8 electrons em seu orbital de valência) e uma carga eléctrica líquida de -1, convertendo-se assim em íons negativos.
  • Este processo se repete e de novo até que a zona de carga espacial adquire o mesmo potencial eléctrico da bateria.

Nesta situação, o díodo não deveria conduzir a corrente; não obstante, devido ao efeito da temperatura formam-se os pares electron-lacuna em ambos os lados da junção produzindo-se uma pequena corrente (da ordem de 1μA) denominada corrente inversa de saturação. Além disso existe também uma corrente denominada corrente superficial de fugas a qual, como o próprio nome indica, conduz uma pequena corrente pela superfície do díodo; já que na superfície, os átomos de silício não estão rodeados de suficientes átomos para realizar as quatro ligações covalentes necessárias para obter estabilidade. Este faz com que os átomos da superfície do díodo, tanto da zona N como da P, tenham lacunas em seus orbitais de valência e por isto os eletrons circulam sem dificuldade através deles. Não obstante, assim como a corrente inversa de saturação, a corrente superficial de fugas é desprezível.

Ver também[editar | editar código-fonte]


Referências

  1. a b c d Behzad Razavi. Fundamentals of Microelectronics (em inglês). preview. ed. [S.l.]: Wiley, 2006. ISBN 047007292X.