Denomina-se junção PN a estrutura fundamental dos componentes
electrónicos comummente
denominados semicondutores, principalmente diodos e transístores. É formada pela junção metalúrgica de
dois cristais, geralmente silício (Si) e (actualmente 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
Os cristais de silício são formados a nível atómico por uma estrutura
cristalina baseada em ligações covalentes que se produzem graças aos 4 electrões
de valência do átomo de Silício. Cabe também mencionar as lacunas que são o lugar deixado pelo electrão
quando abandona a camada de valência e torna-se um electrão livre, isto é o que se conhece com pares electrão - 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 electrões livres (N)
É possível calcular a densidade (concentração) de electrões livre ni em um
semicondutor intrínseco, em função da temperatura T (em Kelvin), pela seguinte expressão.
Onde:
é a constante de Boltzmann;
o valor do gap de
energia, que é a
energia necessária para retirar um electrão de uma ligação covalente.
Silício extrínseco (tipo-P)
Um semicondutor
tipo-P é obtido através do processo de dopagem, adicionando-se um certo tipo de
composto, normalmente trivalente, isto é, com 3 electrões 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.
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 electrão
completando assim as suas quatro ligações. Assim os dopantes criam as lacunas. Cada lacuna está associada com um ião
próximo carregado negativamente, portanto o semicondutor mantém-se electricamente
neutro. Entretanto quando cada lacuna se move pela rede, um protão do átomo
situado na posição da lacuna se vê "exposto" e logo se vê equilibrado
por um electrão. Por esta razão uma lacuna comporta-se como uma carga positiva.
Quando um número suficiente de aceitadores de carga é adicionado, as lacunas
superam amplamente a excitação térmica dos electrões. Assim, as lacunas são os
portadores maioritários, enquanto os electrões são os portadores minoritários
nos materiais tipo P.
Silício extrínseco (tipo-N)
Um semicondutor
tipo-N é obtido através do processo de dopagem em que se adiciona um composto,
normalmente pentavalente, isto é, com 5 electrões na camada de valência, ao
semicondutor para aumentar o número de portadores de carga livres (neste caso negativos, electrões livres). O fósforo é comummente utilizado como dopante
doador do silício, formando um semicondutor tipo-N.
Quando o material dopante é adicionado, este aporta seus electrões mais
fracamente ligados aos átomos do semicondutor. Este tipo de agente dopante é
também conhecido como material doador já que cede um de seus electrões ao
semicondutor.
O propósito da dopagem tipo N é o de produzir abundância de electrões
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 atómica
de quatro, portanto forma-se uma ligação covalente com cada um dos átomos de
silício adjacentes. Se um átomo com cinco electrões de valência se incorpora à
rede cristalina no lugar de um átomo de silício, então este átomo terá quatro
ligações covalentes e um electrão não ligado. Este electrão extra dá como
resultado a formação de electrões livres, o número de electrões no material
supera amplamente o número de lacunas, neste caso os electrões são portadores maioritários
e as lacunas portadores minoritários. Pelo fato de que os átomos com cinco electrões
de valência têm um electrão extra para "dar" eles são chamados átomos doadores.
Barreira interna de potencial
Ao unir ambos os cristais, manifesta-se uma difusão de electrões do cristal N ao P. Ao se estabelecer estas correntes aparecem cargas fixas em uma zona em
ambos os lados da junção, zona que recebe a denominação de barreira de potencial.
A 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 iões positivos na zona N e de iões negativos na zona P,
cria um campo eléctrico (E) que actuará sobre os electrões livres da zona N com
uma determinada força de deslocamento, que se oporá à corrente de electrões
e terminará por detê-los. A criação de iões positivos na zona N (e negativos na
zona P) deve-se que as impurezas N são pentavalentes, logo ao cederem o seu electrão,
há mais protões que electrões criando assim um ião positivo, da mesma maneira
que a impureza P trivalente, ao ganhar um electrão fica carregada negativamente
pois fica com excesso de electrões relativamente aos protões.
Este campo eléctrico é equivalente a dizer que aparece uma diferença de
tensão entre as zonas P e N. Esta diferença de potencial de contacto (V0) é de 0,7 V no caso do silício e 0,3 V se os cristais são de germânio.
Polarização directa da junção P-N
Para que um díodo esteja polarizado directamente, temos que conectar o pólo
positivo da bateria ao ânodo (zona P) do díodo e o pólo negativo ao cátodo
(zona N). Nestas condições podemos observar que:
- O pólo negativo da bateria repele os electrões livres do cristal N, de maneira que estes electrões se dirigem à junção P-N.
- O pólo positivo da bateria atrai os electrões 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 electrões 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 electrão 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 electrão de valência. Uma vez que isto ocorre o electrão é atraído pelo pólo 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 electrões livres à zona N e atraindo electrões de valência da
zona P), permitindo a passagem da corrente de electrões através da junção; isto
é, o
díodo polarizado directamente conduz a electricidade.
Polarização inversa da junção P-N
Neste caso o pólo negativo da bateria é conectado à zona P e o pólo
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 pólo
positivo da bateria atrai os electrões 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 electrões livres abandonam a zona N, os átomos pentavalentes
que antes eram neutros, ao verem-se desprendidos de seus electrões no orbital
de condução, adquirem estabilidade (8 electrões na camada de valência, ver semicondutor e átomo) e uma carga eléctrica líquida de
+1, o que os faz converterem-se em iões positivos.
O pólo
negativo da bateria cede electrões livres aos átomos trivalentes da zona P.
Recordemos que estes átomos só têm três electrões de valência, e uma vez que
tenham formado as ligações covalentes com os átomos de silício, têm somente 7 electrões
de valência, sendo o electrão que falta denominado lacuna. Acontece que quando estes electrões
livres cedidos pela bateria entram na zona P, caem dentro destas lacunas com o
que os átomos trivalentes adquirem estabilidade (8 electrões em seu orbital de
valência) e uma carga eléctrica líquida de -1, convertendo-se assim em iões
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 electrão - 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 electrões circulam sem dificuldade
através deles. Não obstante, assim como a corrente inversa de saturação, a
corrente superficial de fugas é desprezível.
 |
| Esta imagem da uma ideia de como e a curva característica da junção PN |
Fonte: Wikipédia
Ver também:
Sem comentários:
Enviar um comentário