Modulo 4 - Semicondutores Tipo N P e PN

Electrónica Fundamental

Tipo N

Em laboratório iremos desenvolver um semicondutor de sílica a partir dos seus respectivos átomos.

É lógico que estes átomos irão criar ligações covalentes.

Agora suponhamos que, com os átomos de sílica, porvezes injectamos átomos com cinco electrões na últimacamada.

Estes átomos com cinco electrões na última camadapodem ser de fósforo, arsénio ou antimónio.

Os átomos que têm cinco electrões na última camada,devido a estarem em minoria, ficam sujeitos às ligaçõescovalentes impostas pelos átomos de sílica.

Nesta situação, estes átomos ficam com nove electrões naúltima camada, o que quer dizer que está um a mais para oátomo ser estável, então existe um electrão que àtemperatura ambiente está livre.

Desta análise, poderemos concluir que neste semicondutor consoante o número de átomos com cinco electrões na última camada, assim será o número de electrões livres.

Podemos ver esta situação pela figura seguinte:

.

Os portadores de corrente eléctrica e calor(portadores de carga) neste semicondutor serão o parelectrão/lacuna e os electrões devido aos átomos defósforo, arsénico ou antimónio.

Desta análise concluímos que:

Os portadores maioritários são electrões

Os portadores minoritários são lacunas.

É por esta razão que este semicondutor se chamatipo N, N de negativo.

Tipo P

Suponhamos que substituíamos no nosso semicondutor os átomos de cinco electrões por átomos de três electrões.

Estes átomos de três electrões podiam ser de Boro, gálio ou índio.

Estes átomos inseridos na ligação covalente ficariam comsete electrões na última camada, ou seja estariaminstáveis devido à falta dum electrão.

Nesta situação é como se tivéssemos criado uma lacunapor cada átomo com três electrões na última camadainjectado no semicondutor.

Podemos analisar esta situação na figura seguinte:

Os portadores de corrente eléctrica e calor (portadores decarga) neste semicondutor serão o par electrão/lacuna e aslacunas devido aos átomos de boro, gálio ou índio.

Desta análise concluímos que:

os portadores maioritários são lacunas

os portadores minoritários são electrões.

É por esta razão que este semicondutor se chama tipo P, Pde positivo.

Agora suponhamos que iremos desenvolver emlaboratório um semicondutor com átomos deSílica.

Num dos lados vamos injectar de vez em quandoátomos com três electrões na última camada, porexemplo Boro.

No outro lado injectamos também de vez emquando átomos com cinco electrões na últimacamada, por exemplo Fósforo.

Nesta situação teremos:

de um dos lados um semicondutor tipo P emque os portadores maioritários serão lacunas

no outro lado um semicondutor tipo N em queos portadores maioritários serão electrões

ambos os semicondutores estão separados poruma zona de junção.

Esta situação é apresentada na figura seguinte:

l − Lacuna e e − electrão

Como se pode observar pela figura num dos lados existe excesso de electrões, semicondutor tipo N e do outro lado falta de electrões, semicondutor tipo P.

Note-se que ambos os semicondutores estão electricamente neutros, porque o número total de electrões em qualquer dos casos é igualao número de protões no núcleo.

Será lógico pensar que alguns dos electrões existentesno semicondutor tipo N se comecem a deslocar para osemicondutor tipo P ocupando as lacunas como seapresenta na figura seguinte:

Quando o electrão ocupar a lacuna ambos os portadores de carga deixarão de existir.

Como os electrões são cargas negativas, ao abandonarem o semicondutor tipo N este passa a ficar com carga positiva e o semicondutor tipo P com carga negativa devido a receber electrões.

A existência dum potencial positivo do lado do semicondutor tipo N e dum potencial negativo do lado do semicondutor tipo P irá originar um campo eléctrico do potencial positivo para o potencial negativo.

É este campo eléctrico juntamente com a zona em que desapareceramos portadores de carga que a partir de determinado valor vai impedirque continuem a deslocar-se mais electrões para o semicondutor tipo P.

Note-se que os electrões se deslocam no sentido contrário do campo eléctrico. Esta situação é representada na figura seguinte:

A intensidade do campo eléctrico E vezes a distancia a que se encontram as cargas que originaram o mesmo, origina uma diferença de potencial por intermédio da seguinte equação:

V = E.d

que no caso da zona de transição se designa por VT (tensão na zona de transição ou tensão térmica) e quando o valor desta diferença de potencial for de 26 mV deixa de existir passagem de electrões para o semicondutor tipo P.

Se os semicondutores forem constituídos por:

muitos átomos de três electrões na ultima camada,caso do semicondutor tipo P,

ou muitos átomos de cinco electrões na ultima camada,

caso do semicondutor tipo N,

o campo eléctrico será bastante forte devido a terem passadomuitos electrões para o lado do semicondutor tipo P.

Como podemos observar pela expressão da tensão na zonade transição, na situação referida atrás, sendo o campoeléctrico bastante forte a zona de transição será estreita.

Na situação contrária, os semicondutores com poucos átomos de três e cinco electrões na ultima camada, o campo eléctrico será fraco e a zona de transição bastante larga.

Como temos dois semicondutores podemos instalar dois terminais, um terminal no semicondutor tipo P e outro no semicondutor tipo N.

Ao terminal no semicondutor tipo P iremos chamar ânodo (A) e ao terminal no semicondutor tipo N iremos chamar cátodo (K).

Note-se que no lado do semicondutor tipo P, junto à zona detransição, temos cargas eléctricas negativas

Do lado do semicondutor tipo N, junto à zona de transição,cargas eléctricas positivas

Entre as cargas positivas e negativas é como se existisse umisolante.

Então é como se tivéssemos um condensador, o que significaque a zona de transição da junção PN tem efeitos capacitivos.

A esta junção PN é vulgar chamar diodo.

O diodo ideal:

Vejamos então como funciona o diodo quando se lhe aplica um determinado valor de tensão:

Diz-se que uma junção está polarizada directamente quando se aplica o pólo positivo de um gerador ao lado P

e o pólo negativo ao lado N.

P N

Barreira de potencial diminuiu

+ -

Ao injectarmos electrões livres pelo lado N, estamos a fazer com que os electrões livres vão ocupar cada vez mais buracos na zona P, pois estes passam do lado N para o lado P através da zona de junção.

Ao ligarmos o positivo ao lado P, estamos, por sua vez, a “repelir” buracos do lado P para o lado N e a atrair os electrões que vão chegando de N para a zona P.

Ao ligarmos o positivo ao lado P, estamos, por sua vez, a “repelir” buracos do lado P para o lado N e a atrair os electrões que vão chegando de N para a zona P.

Desta forma, a junção comporta-se como condutora.

A corrente eléctrica é resultante de duas componentes:

O movimento de electrões de N para P

O movimento de lacunas em sentido contrário de, P para N

A barreira de potencial existente inicialmente é, portanto, vencida, ficando muito pequena e deixando passar facilmente as cargas eléctricas.

O diodo apresenta, portanto, uma resistência eléctrica muito reduzida (dezenas de ohms), quando polarizada directamente.

A corrente directa apresenta normalmente valores da ordem das dezenas, centenas ou milhares de miliamperes.

Diz-se que uma junção está polarizada inversamente quando se aplica o pólo positivo de um gerador ao lado

N e o pólo negativo ao lado P.

P N

Barreira de potencial aumentou

- +

Neste caso, os pólos positivo e negativo tendem atrair, para longe da zona de junção, os electrões livres e as lacunas, respectivamente, aumentando assim a barreira de potencial.

Com efeito, passa a haver uma grande concentração de buracos e de electrões nos extremos, aumento a barreira de potencial na zona de junção, conforme se exemplifica na figura; praticamente deixa de haver corrente no interior da junção, isto é, o diodo não é condutor.

P N

- + K

Diz-se assim que o diodo está ao corte ou está bloqueado.Na verdade, existe uma pequena corrente - a corrente de fuga ou corrente inversa de saturação Is , na ordem dos microamperes ou nanoamperes.

P N

- + K

Quando polarizado inversamente, o diodo apresenta uma resistência muito elevada (milhares de ohms).