Semicondutores
Os melhores condutores possuem um elétron de valência, enquanto os melhores isolantes possuem oito elétrons de valência.
O semicondutor é um elemento com propriedades entre as dos condutor e as do isolante. Naturalmente, os melhores semicondutores possuem quatro elétrons de valência. Os principais semicondutores utilizados na eletrônica são o Germânio e o Silício.
Os cristais de silício são formados por ligações covalentes entre seus átomos, formando um sólido estável. Quando se aumenta a temperatura, no entanto, elétrons da camada de valência ganham energia e se desprendem do átomo, tornando-se elétrons livres.
Essa ausência de um elétron na camada de valência é chamada de lacuna, que em semicondutores como o silício, tem um comportamento semelhante a uma carga positiva, uma característica especial desse tipo de material.
Os elétrons livres podem se deslocar da mesma forma que em um condutor, bastando a aplicação de um campo elétrico.
A lacuna atrai um elétron para sua posição, para completar a estabilidade química na camada de valência. Assim, o elétron que preenche tal lacuna, cria outra em sua posição original. Dessa forma, podemos interpretar tal fenômeno como um deslocamento da lacuna, no sentido contrário do elétron.
Dopagem
Para aumentar o número de elétrons livres e lacunas em um semicondutor, e consequentemente aumentar sua condutividade, é feito o processo de dopagem do material, inserindo impurezas ao cristal. Um semicondutor dopado é chamado de semicondutor extrínseco.
Para aumentar o número de elétrons livres, adiciona-se átomos pentavalentes (por exemplo, arsênico, antimônio ou fósforo). Por ter cinco elétrons na camada de valência, somente quatro farão ligações covalentes com átomos de silício vizinhos, o quinto elétron se torna “livre”.
Para aumentar o número de lacunas, adiciona-se átomos trivalentes (por exemplo, alumínio, boro ou gálio). Como os três elétrons de valência farão ligações covalentes com os do silício, faltará o espaço para um quarto elétron, que se comportará como uma lacuna.
Semicondutores do tipo n
Quando o silício é dopado com impurezas pentavalentes, ele é chamado de semicondutor do tipo n (negativo), pois ele terá um excesso de elétrons livres. Dessa forma, tais elétrons são chamados de portadores majoritários, e as lacunas de portadores minoritários.
Semicondutores do tipo p
Quando o silício é dopado com impurezas tritavalentes, ele é chamado de semicondutor do tipo p (positivo), pois ele terá um excesso de lacunas, que agora serão os portadores majoritários, enquanto que os elétrons livres serão os portadores minoritários.
Diodo
Os semicondutores dopados se comportam como condutores, fornecendo cargas livres para deslocamento. Quando dois semicondutores é dopado metade do tipo n e a outra metade do tipo p, temos uma junção pn, cujas características físicas definem o funcionamento de vários componentes eletrônicos.
O cristal formado por um semicondutor dopado do tipo p de um lado e do tipo n do outro, é chamado de diodo de junção, ou simplesmente diodo (“di” = dois, e “odo” é uma contração para
“eletrodo”)
Apesar de terem elétrons livres e lacunas disponíveis para se deslocar, a carga elétrica livre em cada dopagem é zero, e portanto o componente é eletricamente neutro.
Devido à repulsão mútua entre os elétrons livres da dopagem n (assim como as lacunas na dopagem p), a distribuição dessas cargas é relativamente uniforme ao longo do material. Na junção, contudo, quando os elétrons entram na região p, eles passam a ser portadores minoritários, e por isso tem um tempo de vida curto, pois eles se recombinam com as lacunas existem na região da junção.
Uma vez que um elétron se difunde, ele cria um par de íons (negativo na parte n e positivo na parte p), pois o equilíbrio elétrico é desfeito.
Como esses íons fazem ligações covalentes com 4 átomos vizinhos de silício, eles não se movimentam, criando um dipolo permanente na região da junção. A medida que o número de dipolos aumenta, a região próxima da junção torna-se vazia de portadores de carga. Essa região vazia de portadores é chamada de camada de depleção.
Os íons permanentes na camada de depleção, formam dipolos elétricos entre as regiões n e p, o que acarreta em um campo elétrico (de sentido p para n). Sempre que um elétron livre, proveniente de qualquer lado da junção, entra na camada de depleção, ele é empurrado para a região n.
Como existe um campo elétrico na camada de depleção, consequentemente há também uma diferença de potencial nessa camada. Essa tensão é chamada de barreira de potencial, e tem o valor de aproximadamente 0,3 V para diodos de germânio e 0,7 V para diodos de silício.
Polarização direta
Na figura abaixo, um diodo de junção é conectado a uma fonte de tensão CC onde o terminal positivo é ligado na região p, enquanto o terminal positivo é ligado na extremidade n.
A tensão da fonte tende a empurrar os elétrons livres para a camada de junção (da direita para a esquerda), assim como as lacunas (da esquerda para a direita). No entanto, ao entrar na camada de depleção, o campo elétrico devido aos dipolos dos íons, empurrarão as cargas para fora dela.
Se a tensão da fonte for menor que a barreira de potencial, as cargas não terão energia para atravessar a camada, mas se a tensão for maior, os elétrons e lacunas atravessarão a camada, criando um fluxo de corrente no diodo.
Polarização reversa
Invertendo o sentido de conexão da fonte de tensão, o terminal negativo da bateira atrai as lacunas, e o terminal positivo atrai os elétrons livres, afastando essas cargas da junção. Assim, a camada de depleção fica mais larga.
Quando as lacunas e os elétrons se afastam da junção, os novos íons gerados aumentam a diferença de potencial através da camada de depleção, tornando essa camada mais larga e aumentando sua barreira de potencial (criada pelos dipolos). A camada de depleção pára de aumentar quando sua diferença de potencial iguala-se ao valor da tensão reversa aplicada.
Com a barreira de potencial igual a tensão aplicada pela fonte, não há corrente fluindo entre as extremidades n e p do diodo, não havendo, portanto, corrente elétrica.
Entretanto, a alta temperatura (acima do zero absoluto) continua a fornecer energia aos elétrons da camada de valência do silício, gerando elétrons livres e lacunas. Muitos se recombinam com os portadores majoritários, mas aqueles que estão dentro da camada de depleção podem estar em número suficiente para conseguir cruzar a junção.
Essa corrente reversa causada termicamente pelos portadores minoritários é chamada de corrente de saturação, geralmente simbolizada por IS. Como essa corrente depende da criação de elétrons livres a partir do aumento da temperatura, aumentar a tensão reversa (da fonte externa) não aumenta a corrente de saturação.
Ruptura
Existe um limite de tensão que podemos aplicar num diodo reversamente polarizado sem que ele se danifique, chegando facilmente aos 50 V. Com a tensão reversa elevada, eventualmente atinge-se a tensão de ruptura do diodo. Uma vez atingida a tensão de ruptura, uma grande quantidade de portadores minoritários aparece de repente na camada de depleção e o diodo conduz intensamente. Esses portadores são produzidos pelo efeito de avalanche, que ocorre quanto a tensão inversa tem um valor muito alto. Em geral, existe uma pequena corrente inversa de portadores minoritários. Quando a tensão inversa aumenta, ela força os portadores minoritários a se moverem mais rapidamente, aumentando a energia dessas cargas.
Quando os portadores minoritários possuem energia suficiente, essas colisões com os elétrons de valência dos átomos do cristal produzem mais elétrons livres. Esses novos elétrons livres se juntam com mesma energia aos portadores minoritários anteriores, produzindo mais choques e mais elétrons livres num efeito cascata. Dessa forma, a corrente da polarização reversa torna-se intensa.
