10 - O que ocorre quando dois cristais (um P e outro N ) são colocados em contato?
Passo 1
O enunciado pergunta o que acontece ao colocarmos em contato um cristal semicondutor tipo P com outro tipo N. O conteúdo aqui é a formação da junção PN em semicondutores, e vamos precisar usar os conceitos de difusão de portadores, recombinação, região de depleção e campo elétrico de equilíbrio.
Passo 2
Quando os dois cristais entram em contato, existe um gradiente de concentração de elétrons e lacunas: o lado N tem muita concentração de elétrons livres, e o lado P tem muita concentração de lacunas. Por isso ocorre difusão de elétrons do lado N para o lado P e difusão de lacunas do lado P para o lado N.
Esses portadores que passam pela interface recombinam-se: muitos elétrons que entram no lado P encontram lacunas e se recombinam, e vice-versa. Essa recombinação deixa íons fixos na rede cristalina próximos à junção: no lado N aparecem íons doadores positivos ( ) e no lado P aparecem íons aceitadores negativos (
).
Esses portadores que passam pela interface recombinam-se: muitos elétrons que entram no lado P encontram lacunas e se recombinam, e vice-versa. Essa recombinação deixa íons fixos na rede cristalina próximos à junção: no lado N aparecem íons doadores positivos (
Passo 3
A zona próxima à interface onde as cargas móveis (elétrons e lacunas) foram eliminadas pelo recombinação forma a região de depleção. Nessa região há apenas cargas imobilizadas (
e
), gerando uma densidade volumétrica de carga
.
As cargas fixas na depleção criam um campo elétrico interno apontando do lado N (positivo) para o lado P (negativo). Esse campo se opõe ao movimento adicional de portadores por difusão, limitando o fluxo de elétrons e lacunas.
As cargas fixas na depleção criam um campo elétrico interno
Passo 4
No equilíbrio térmico, o fluxo de difusão (que empurra portadores para a outra região) é exatamente compensado pelo fluxo de drift induzido pelo campo
. Assim, a corrente líquida total é zero, e mantém-se uma diferença de potencial intrínseca entre os dois lados.
Essa diferença de potencial de equilíbrio, chamada de potencial de built-in , pode ser calculada por
Essa diferença de potencial de equilíbrio, chamada de potencial de built-in
onde
e
são as concentrações de aceitadores e doadores,
é a concentração intrínseca,
é a constante de Boltzmann,
a temperatura e
a carga do elétron.
Resposta
Ao juntar um cristal tipo P e outro tipo N forma-se uma junção PN com região de depleção, na qual ocorre recombinação de portadores deixando cargas fixas. Isso gera um campo elétrico interno e um potencial de barreira
que equilibra os fluxos de difusão e drift, mantendo corrente líquida zero em equilíbrio.