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.

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