A junção p-n possui propriedades essenciais para a electrónica moderna. Um semicondutor p-doped é relativamente condutivo. O mesmo se aplica a um semicondutor com n-doped, mas a junção entre eles pode se esgotar de portadores de carga e, portanto, não condutores, dependendo das tensões relativas das duas regiões semicondutoras. Ao manipular esta camada não condutora, as junções p-n são normalmente utilizadas como díodos: elementos de circuito que permitem um fluxo de electricidade numa direcção, mas não na outra (oposta). A polarização é a aplicação de uma tensão através de uma junção p-n; a polarização dianteira é na direção de fluxo de corrente fácil, e a polarização inversa é na direção de pouco ou nenhum fluxo de corrente.
A polarização dianteira e as propriedades de polarização inversa da junção p-n implicam que ela pode ser usada como um diodo. Um diodo de junção p-n permite que cargas elétricas fluam em uma direção, mas não na direção oposta; cargas negativas (elétrons) podem facilmente fluir através da junção de n para p, mas não de p para n, e o inverso é verdadeiro para furos. Quando a junção p-n é tendenciosa para a frente, a carga elétrica flui livremente devido à resistência reduzida da junção p-n. Quando a junção p-n é polarizada para trás, entretanto, a barreira de junção (e portanto a resistência) torna-se maior e o fluxo de carga é mínimo.
Equilíbrio (polarização zero)Editar
Em uma junção p-n, sem tensão externa aplicada, uma condição de equilíbrio é alcançada na qual uma diferença de potencial se forma através da junção. Esta diferença de potencial é chamada de potencial embutido V b i {\i {\i {\i }}}.
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Na junção, os elétrons livres do tipo n são atraídos para os furos positivos do tipo p. Eles se difundem no tipo p, se combinam com os furos e se anulam mutuamente. De forma semelhante, os furos positivos do tipo p são atraídos para os elétrons livres do tipo n. Os furos se difundem para o tipo n, combinam-se com os elétrons livres e se cancelam mutuamente. Os átomos dopantes do tipo n, carregados positivamente, fazem parte do cristal, e não se podem mover. Assim, no tipo n, uma região próxima à junção torna-se positivamente carregada. Os átomos do tipo p, carregados negativamente, aceitantes, dopantes, fazem parte do cristal, e não se podem mover. Assim, no tipo p, uma região próxima à junção se torna carregada negativamente. O resultado é uma região próxima à junção que atua para repelir as cargas móveis para longe da junção através do campo elétrico que essas regiões carregadas criam. As regiões próximas à interface p-n perdem sua neutralidade e a maioria de suas portadoras móveis, formando a região de carga espacial ou camada de esgotamento (ver figura A).
O campo elétrico criado pela região de carga espacial se opõe ao processo de difusão tanto para elétrons quanto para furos. Há dois fenômenos simultâneos: o processo de difusão que tende a gerar mais carga espacial, e o campo elétrico gerado pela carga espacial que tende a neutralizar a difusão. O perfil de concentração portadora em equilíbrio é mostrado na figura A com linhas azuis e vermelhas. Também são mostrados os dois fenômenos de contrabalanço que estabelecem o equilíbrio.
A região de carga espacial é uma zona com uma carga líquida fornecida pelos íons fixos (doadores ou aceitadores) que foram deixados descobertos pela difusão maioritária de portadores. Quando o equilíbrio é alcançado, a densidade de carga é aproximada pela função de passo exibida. De facto, uma vez que o eixo y da figura A é a escala logarítmica, a região está quase completamente esgotada de portadores maioritários (deixando uma densidade de carga igual ao nível líquido de dopagem), e a borda entre a região de carga espacial e a região neutra é bastante acentuada (ver figura B, gráfico Q(x)). A região da carga espacial tem a mesma magnitude de carga em ambos os lados das interfaces p-n, estendendo-se assim mais para o lado menos dopado neste exemplo (o lado n nas figuras A e B).
Viés para frenteEditar
Em viés para frente, o tipo p é conectado com o terminal positivo e o tipo n é conectado com o terminal negativo.
Com uma bateria conectada desta forma, os furos na região tipo p e os elétrons na região tipo n são empurrados em direção à junção e começam a neutralizar a zona de depleção, reduzindo sua largura. O potencial positivo aplicado ao material tipo p repele os furos, enquanto que o potencial negativo aplicado ao material tipo n repele os elétrons. A alteração do potencial entre o lado p e o lado n diminui ou muda o sinal. Com o aumento da tensão de polarização para frente, a zona de esgotamento acaba por se tornar suficientemente fina para que o campo eléctrico da zona não possa neutralizar o movimento do portador de carga através da junção p-n, o que, como consequência, reduz a resistência eléctrica. Os elétrons que cruzam a junção p-n no material tipo p (ou orifícios que cruzam no material tipo n) se difundem para a região neutra próxima. A quantidade de difusão minoritária nas zonas próximas ao neutro determina a quantidade de corrente que pode fluir através do diodo.
Apenas portadores majoritários (elétrons em material tipo n ou orifícios em material tipo p) podem fluir através de um semicondutor para um comprimento macroscópico. Com isto em mente, considere o fluxo de elétrons através da junção. O viés para frente causa uma força nos elétrons empurrando-os do lado N para o lado P. Com a polarização para a frente, a região de esgotamento é suficientemente estreita para que os elétrons possam atravessar a junção e injetar no material do tipo P. No entanto, eles não continuam a fluir através do material tipo p indefinidamente, porque é energeticamente favorável para que eles se recombinem com furos. O comprimento médio que um elétron percorre através do material tipo p antes de recombinar é chamado de comprimento de difusão, e normalmente está na ordem de micrômetros.
Embora os elétrons penetrem apenas uma pequena distância no material tipo p, a corrente elétrica continua ininterrupta, pois os furos (os portadores majoritários) começam a fluir na direção oposta. A corrente total (a soma das correntes dos elétrons e dos furos) é constante no espaço, pois qualquer variação causaria a acumulação de carga ao longo do tempo (esta é a lei atual de Kirchhoff). O fluxo de furos da região tipo p para a região tipo n é exatamente análogo ao fluxo de elétrons de N para P (elétrons e furos trocam de função e os sinais de todas as correntes e tensões são invertidos).
Por isso, a imagem macroscópica do fluxo de corrente através do diodo envolve elétrons fluindo através da região tipo n em direção à junção, furos fluindo através da região tipo p na direção oposta em direção à junção, e as duas espécies de portadores se recombinando constantemente nas proximidades da junção. Os elétrons e orifícios viajam em direções opostas, mas também têm cargas opostas, portanto a corrente total está na mesma direção em ambos os lados do diodo, conforme requerido.
A equação do diodo de Shockley modela as características operacionais de viés dianteiro de uma junção p-n fora da região da avalanche (condutor de viés inverso).
Viés inversoEditar
Conectando a região tipo p ao terminal negativo da bateria e a região tipo n ao terminal positivo corresponde ao viés inverso. Se um diodo for polarizado, a tensão no cátodo é comparativamente maior do que no ânodo. Portanto, muito pouca corrente flui até que o diodo se quebre. As conexões são ilustradas no diagrama adjacente.
Porque o material tipo p está agora conectado ao terminal negativo da fonte de alimentação, os ‘orifícios’ no material tipo p são arrancados da junção, deixando para trás íons carregados e causando o aumento da largura da região de esgotamento. Da mesma forma, como a região do tipo n está ligada ao terminal positivo, os elétrons são puxados para longe da junção, com efeito semelhante. Isto aumenta a barreira de tensão causando uma alta resistência ao fluxo de portadores de carga, permitindo assim que a corrente elétrica mínima atravesse a junção p-n. O aumento da resistência da junção p-n resulta no comportamento da junção como isolante.
A força do campo elétrico da zona de esgotamento aumenta à medida que a tensão de polarização inversa aumenta. Uma vez que a intensidade do campo elétrico aumenta além de um nível crítico, a zona de esgotamento da junção p-n se rompe e a corrente começa a fluir, normalmente pelo processo Zener ou pela ruptura da avalanche. Ambos os processos de ruptura não são destrutivos e são reversíveis, desde que a quantidade de corrente que flui não atinja níveis que provoquem o superaquecimento do material semicondutor e causem danos térmicos.
Este efeito é usado para aproveitar nos circuitos reguladores de diodo Zener. Os díodos Zener têm uma baixa tensão de ruptura. Um valor padrão para a tensão de ruptura é, por exemplo, 5,6 V. Isto significa que a tensão no cátodo não pode ser mais do que cerca de 5,6 V maior do que a tensão no ânodo (embora haja um ligeiro aumento com a corrente), porque o diodo se rompe e, portanto, conduz, se a tensão ficar mais alta. Isto, com efeito, limita a tensão sobre o díodo.
Outra aplicação de polarização inversa é a dos díodos Varicap, onde a largura da zona de depleção (controlada com a tensão de polarização inversa) altera a capacitância do díodo.
