A junção P-N

Se um bloco de semicondutor tipo P é colocado em contato com um bloco de semicondutor tipo N na Figura abaixo (a), o resultado não tem valor. Temos dois blocos condutores em contato um com o outro, não apresentando propriedades únicas. O problema são dois corpos de cristal separados e distintos. O número de elétrons é balanceado pelo número de prótons em ambos os blocos. Portanto, nenhum dos blocos tem carga líquida.

No entanto, um único cristal semicondutor fabricado com material tipo P em uma extremidade e material tipo N na outra na Figura abaixo (b) tem algumas propriedades exclusivas. O material do tipo P tem portadores de carga de maioria positiva, orifícios, que são livres para se moverem na rede cristalina. O material do tipo N tem portadores de maioria negativa móveis, elétrons. Perto da junção, os elétrons do material tipo N se difundem através da junção, combinando-se com buracos no material tipo P. A região do material tipo P próxima à junção assume uma carga líquida negativa por causa dos elétrons atraídos. Como os elétrons partiram da região do tipo N, ele assume uma carga positiva localizada. A fina camada da rede cristalina entre essas cargas foi esvaziada da maioria dos portadores, portanto, é conhecida como a região de depleção . Torna-se material semicondutor intrínseco não condutor. Na verdade, temos quase um isolador separando as regiões dopadas P e N condutoras.



(a) Blocos de semicondutores P e N em contato não têm propriedades exploráveis. (b) Um único cristal dopado com impurezas do tipo P e N desenvolve uma barreira potencial.

Essa separação de cargas na junção PN constitui uma barreira potencial. Esta barreira potencial deve ser superada por uma fonte de tensão externa para fazer a junção conduzir. A formação da junção e da barreira de potencial ocorre durante o processo de fabricação. A magnitude da barreira potencial é uma função dos materiais usados ​​na fabricação. As junções de silício PN têm uma barreira de potencial mais alta do que as junções de germânio.

Polarização de junção PN

Na Figura abaixo (a) a bateria está disposta de forma que o terminal negativo forneça elétrons ao material tipo N. Esses elétrons se difundem em direção à junção. O terminal positivo remove elétrons do semicondutor tipo P, criando buracos que se difundem em direção à junção. Se a tensão da bateria for grande o suficiente para superar o potencial de junção (0,6 V em Si), os elétrons do tipo N e os orifícios P ​​se combinam e se aniquilam. Isso libera espaço dentro da rede para que mais portadores fluam em direção à junção. Assim, as correntes de portadores majoritários do tipo N e do tipo P fluem em direção à junção. A recombinação na junção permite que a corrente da bateria flua através do diodo de junção PN. Tal junção é considerada polarizada para frente .



(a) A polarização da bateria para frente repele as portadoras em direção à junção, onde a recombinação resulta na corrente da bateria. (b) A polarização reversa da bateria atrai as operadoras em direção aos terminais da bateria, longe da junção. A espessura da região de depleção aumenta. Não há fluxo contínuo de corrente da bateria.

Se a polaridade da bateria for invertida como na Figura acima (b), os portadores da maioria são afastados da junção em direção aos terminais da bateria. O terminal positivo da bateria atrai os portadores da maioria do tipo N, elétrons, para longe da junção. O terminal negativo atrai portadores da maioria tipo P, orifícios, para longe da junção. Isso aumenta a espessura da região de depleção não condutora. Não há recombinação de portadores majoritários; portanto, nenhuma condução. Este arranjo da polaridade da bateria é chamado de polarização reversa .

Diodo

O símbolo esquemático do diodo é ilustrado na Figura abaixo (b) correspondendo à barra semicondutora dopada em (a). O diodo é um unidirecional dispositivo. A corrente flui apenas em uma direção, ao lado da seta, correspondendo à polarização direta. O cátodo, barra, do símbolo do diodo, corresponde ao semicondutor tipo N. O ânodo, seta, corresponde ao semicondutor tipo P. Para lembrar essa relação, N apontando para fora (barra) no símbolo corresponde a N -tipo semicondutor. P untar (seta) corresponde a P -modelo.



(a) Junção PN polarizada para frente, (b) Símbolo esquemático de diodo correspondente (c) Diodo de silício I vs curva característica V.

Se um diodo for polarizado diretamente como na Figura acima (a), a corrente aumentará ligeiramente conforme a tensão é aumentada de 0 V. No caso de um diodo de silício, uma corrente mensurável flui quando a tensão se aproxima de 0,6 V na Figura acima (c ) Conforme a tensão aumenta além de 0,6 V, a corrente aumenta consideravelmente após o joelho. Aumentar a tensão bem além de 0,7 V pode resultar em corrente alta o suficiente para destruir o diodo. A tensão direta, VF, é uma característica do semicondutor:0,6 a 0,7 V para silício, 0,2 V para germânio, alguns volts para diodos emissores de luz (LED). A corrente direta varia de alguns mA para diodos de contato pontuais a 100 mA para pequenos diodos de sinal a dezenas ou milhares de amperes para diodos de energia.

Se o diodo for polarizado reversamente, apenas a corrente de fuga do semicondutor intrínseco flui. Isso é plotado à esquerda da origem na Figura acima (c). Esta corrente será tão alta quanto 1 µA para as condições mais extremas para pequenos diodos de sinal de silício. Esta corrente não aumenta apreciavelmente com o aumento da polarização reversa até que o diodo se quebre. Na ruptura, a corrente aumenta tanto que o diodo será destruído, a menos que uma alta resistência em série limite a corrente. Normalmente selecionamos um diodo com uma classificação de tensão reversa mais alta do que qualquer tensão aplicada para evitar isso. Os diodos de silício estão normalmente disponíveis com classificações de quebra reversa de 50, 100, 200, 400, 800 V e superiores. É possível fabricar diodos com uma classificação inferior de alguns volts para uso como padrões de tensão.

Mencionamos anteriormente que a corrente de fuga reversa abaixo de a µA para diodos de silício era devido à condução do semicondutor intrínseco. Esse é o vazamento que pode ser explicado pela teoria. A energia térmica produz poucos pares elétron-buraco, que conduzem a corrente de fuga até a recombinação. Na prática, essa corrente previsível é apenas parte da corrente de fuga. Grande parte da corrente de fuga se deve à condução da superfície, relacionada à falta de limpeza da superfície do semicondutor. Ambas as correntes de fuga aumentam com o aumento da temperatura, aproximando-se de µA para pequenos diodos de silício.

Para o germânio, a corrente de fuga é ordens de magnitude maior. Como os semicondutores de germânio raramente são usados ​​hoje, isso não é um problema na prática.

REVER:

• As junções PN são fabricadas a partir de uma peça monocristalina de semicondutor com uma região do tipo P e do tipo N nas proximidades de uma junção.
• A transferência de elétrons do lado N da junção para buracos aniquilados no lado P da junção produz uma tensão de barreira. Isso é de 0,6 a 0,7 V no silício e varia com outros semicondutores.
• Uma junção PN polarizada para frente conduz uma corrente assim que a tensão da barreira é superada. O potencial externo aplicado força os portadores majoritários em direção à junção onde ocorre a recombinação, permitindo o fluxo de corrente.
• Uma junção PN com polarização reversa quase não conduz corrente. A polarização reversa aplicada atrai os portadores da maioria para longe da junção. Isso aumenta a espessura da região de depleção não condutiva.
• Junções PN polarizadas reversas mostram uma corrente de fuga reversa dependente da temperatura. Isso é menos do que um µA em diodos de silício pequenos.

PLANILHAS RELACIONADAS:

• Planilha de junções PN
• Planilha de condução elétrica em semicondutores