JUNÇÃO PN FORMAÇÃO

Até agora estudamos os cristais de silício e de germânio em suas formas puras. Porém, partindo-se de um cristal puro, através de técnicas específicas, consegue-se introduzir neste cristal, átomos de outro metal, de tal modo a se conseguir o comportamento elétrico desejado.

Esta operação é denominada "dopagem" e o metal a ser introduzido no cristal é chamado de impureza. Os metais usados como impureza podem ter átomos trivalentes ou pentavalentes, isto é, com três ou cinco elétrons na última camada.

Se na dopagem usarmos impurezas trivalentes (ou aceitadoras), cria-se no cristal portadores de carga positiva ou lacunas, pois, para participar da ligação covalente o átomo da impureza necessita de um elétron para completar sua última camada com quatro elétrons. Este cristal é chamado de positivo ou P.

Porém, se na dopagem usarmos impurezas pentavalentes ou doadoras, cria-se no cristal elétrons livres, pois para participar da ligação covalente o átomo da impureza doa um

137 elétron que estava em excesso. Este elétron pode então ser considerado livre. Este cristal é chamado de negativo ou N.

Para a criação de um cristal tipo N as impurezas geralmente utilizadas são: fósforo, arsênio, bismuto e antimônio.

A figura 2-57 mostra um bloco representativo do elemento N.

Fonte: IAC – Instituto de Aviação Civil – Divisão de Instrução Profissional

Figura 2-57 Cristal tipo N (representação)

Os círculos pequenos representam os átomos pentavalentes, o sinal negativo é o quinto elétron do átomo pentavalente, que não entrou na combinação.

Para a criação de um cristal tipo P as impurezas normalmente utilizadas são: bário, alumínio, gálio e índio.

A figura 2-58 mostra um bloco representativo do elemento P.

Fonte: IAC – Instituto de Aviação Civil – Divisão de Instrução Profissional

Figura 2-58 Cristal do tipo P (representação)

Os pequenos círculos representam os átomos trivalentes e os sinais positivos fora dos círculos são as lacunas criadas por eles.

Facilmente, entendemos que a dopagem criará, no cristal, tantos elétrons livres ou lacunas quantos forem os átomos de impurezas doadoras ou aceitadoras introduzidos.

138 Polarização do Elemento N

Ao polarizarmos um elemento N, conforme a figura 2-59, teremos o aparecimento de uma corrente elétrica, cujos portadores são elétrons e cujo sentido é o indicado na figura. A intensidade desta corrente é limitada pela resistividade do elemento N, que depende da quantidade de portadores, que, por sua vez depende da quantidade de átomos da impureza.

Fonte: IAC – Instituto de Aviação Civil – Divisão de Instrução Profissional

Figura 2-59 Polarização do elemento N

Por serem portadores de carga negativa, os elétrons livres no elemento são atraídos pelo potencial positivo da fonte de tensão, dando à corrente o sentido indicado na figura 2-59.

Polarização do Elemento P

A figura 2-60 mostra a polarização de um elemento P. Ao polarizarmos um elemento P conforme indicado na figura 2-60, haverá uma corrente de lacunas no cristal no sentido mostrado.

Fonte: IAC – Instituto de Aviação Civil – Divisão de Instrução Profissional

139 As lacunas, que são positivas, são repelidas pelo seu positivo da fonte de tensão e atraídas pelo polo negativo da mesma.

Um elétron entra no cristal no lado negativo da fonte e se combina com uma lacuna, completando a união, estes já não existem mais como portadores elétricos. Em seguida a bateria que perdeu um elétron no lado negativo da fonte, tira um elétron do cristal no lado positivo da fonte, gerando assim, uma lacuna que é imediatamente repelida pelo polo positivo da fonte e atraída pelo polo negativo. Temos assim uma corrente elétrica constante que é limitada pela resistividade do elemento, que por sua vez, depende do número de portadores criados na dopagem do mesmo.

Portadores Majoritários e Minoritários nos Elementos

Como vimos anteriormente, se adicionarmos impurezas pentavalentes a um cristal surgem nesse cristal tantos elétrons livres quantos forem os átomos de impurezas adicionados. Sabemos que na temperatura ambiente o cristal puro apresenta portadores positivos e negativos em números iguais. Porém, com a dopagem essa igualdade é alterada e o material que possuía igual quantidade de portadores, possui agora, maior número de elétrons do que de lacunas. Dizemos então que os elétrons são portadores majoritários e as lacunas portadores minoritários no elemento N.

Fonte: IAC – Instituto de Aviação Civil – Divisão de Instrução Profissional

Figura 2-61 Concentração de portadores nos elementos P e N

Quando se une um elemento P a um elemento N, há uma combinação natural de portadores ou seja, elétrons do elemento N e lacunas do elemento P, em toda a estrutura das superfícies unidas.

140 Porém, nem todos os elétrons e lacunas se recombinam porque as primeiras recombinações criam íons, que fazem uma barreira ao processo de recombinação. Isto pode ser visto na figura 2-62.

Fonte: IAC – Instituto de Aviação Civil – Divisão de Instrução Profissional

Figura 2-62 Formação de íons na junção PN

No elemento P os átomos que se ionizam são os das impurezas aceitadoras e no elemento N os das impurezas doadoras. Esta região ionizada entre os elementos P e N é dotada de um campo eletrostático negativo, no lado P e positivo no lado N.

Esse campo é considerado como se fosse um campo de força, cujo potencial negativo, da região P, repele os portadores de elétrons, do lado N e cujo potencial positivo, da região N, repele as lacunas do lado P.

Por isso, embora os portadores de elétrons e lacunas estejam em movimento, à temperatura ambiente, eles não se difundem por toda estrutura cristalina.

A figura 2-63 mostra uma junção PN com os portadores de carga e as forças de repulsão.

Fonte: IAC – Instituto de Aviação Civil – Divisão de Instrução Profissional

Figura 2-63 Campo eletrostático e forças de repulsão na junção PN

Devido à falta de portadores de carga nessa região a mesma recebe o nome de região de "depleção".

141 2.18 POLARIZAÇÃO DE UMA JUNÇÃO PN

De acordo com a polaridade dos elementos P e N da junção tem-se um comportamento diferente da mesma.

A junção PN pode ser polarizada de duas maneiras: direta ou inversa.

Junção PN Diretamente Polarizada

Diz-se que a junção PN está diretamente polarizada quando se tem o positivo da fonte de tensão ligado ao elemento P e o negativo ao elemento N, como mostra a figura 2-64.

Fonte: IAC – Instituto de Aviação Civil – Divisão de Instrução Profissional

Figura 2-64 Junção PN diretamente polarizada

Na polarização direta da junção PN, temos uma diminuição da barreira de potencial pois as lacunas, do lado P, são repelidas pelo potencial positivo e os elétrons do lado N são repelidos pelo potencial negativo da fonte de tensão.

A região agora apresenta uma baixa resistência, cerca de dezenas de ohms.

Os átomos pertencentes ao lado N tornam-se íons positivos, porque seus elétrons foram deslocados em direção da junção, tendo agora condições de receberem elétrons da fonte de tensão.

Por sua vez os átomos do lado P, tornam-se íons negativos, porque suas lacunas foram deslocadas para a junção, tendo condições de fornecer elétrons para o lado positivo da fonte de tensão.

Vemos que com essa polarização, temos elétrons entrando no lado N e saindo no lado P. Na região da junção, há um processo constante de recombinação de elétrons e lacunas. Assim uma corrente elétrica é estabelecida numa junção PN.

142 Junção PN Inversamente Polarizada

Diz-se que a junção PN está inversamente polarizada quando se tem o positivo da fonte de tensão no lado N e o negativo no lado P, como mostra a figura 2-65.

Fonte: IAC – Instituto de Aviação Civil – Divisão de Instrução Profissional

Figura 2-65 Junção PN inversamente polarizada

Podemos observar que o potencial positivo, no lado N, é uma força de atração para os elétrons e que o potencial negativo, no lado P é uma força de atração para as lacunas. A ação dessa força faz com que os portadores se desloquem, temos então um aumento na barreira de potencial, como é mostrado na figura 2-65.

Este aumento é diretamente proporcional ao aumento da tensão aplicada à junção PN. Nesta situação não deve circular corrente normal no circuito, porém, devido às características do cristal, haverá uma pequena corrente que é denominada corrente de fuga.