(ADAPTADA) DES IFSUL - 2015 - Professor do Ensino Básico, Técnico e Tecnológico (IF SUL)/Controle e Processos Industriais
De acordo com a teoria para os dispositivos semicondutores, para o diodo de silício afirma-se que:
I. A região de depleção é formada pelo deslocamento de cargas negativas (elétrons) dentro de material tipo “N”.
II. A quantidade de portadores majoritários e minoritários não depende da dopagem dos dois tipos de materiais, tipo “N” e tipo “P”.
III. A polarização reversa do diodo tende a diminuir a camada de depleção.
IV. A camada de depleção é formada na junção entre os dois tipos de materiais e será maior quanto maior for a dopagem dos materiais tipo “N” e tipo “P”.
Está(ão) correta(s) apenas a(s) afirmativa(s)
(A) I, II e III;
(B) II, III e IV;
(C) IV;
(D) I e II;
(E) Nenhuma das afirmativas está correta.
De acordo com a teoria para os dispositivos semicondutores, para o diodo de silício afirma-se que:
I. A região de depleção é formada pelo deslocamento de cargas negativas (elétrons) dentro de material tipo “N”.
II. A quantidade de portadores majoritários e minoritários não depende da dopagem dos dois tipos de materiais, tipo “N” e tipo “P”.
III. A polarização reversa do diodo tende a diminuir a camada de depleção.
IV. A camada de depleção é formada na junção entre os dois tipos de materiais e será maior quanto maior for a dopagem dos materiais tipo “N” e tipo “P”.
(A) I, II e III;
(B) II, III e IV;
(C) IV;
(D) I e II;
(E) Nenhuma das afirmativas está correta.
Passo 1
O enunciado apresenta quatro afirmações sobre o diodo de silício e pergunta quais estão corretas. As quatro afirmações são:
I. A região de depleção é formada pelo deslocamento de cargas negativas (elétrons) dentro de material tipo “N”.
II. A quantidade de portadores majoritários e minoritários não depende da dopagem dos dois tipos de materiais, tipo “N” e tipo “P”.
III. A polarização reversa do diodo tende a diminuir a camada de depleção.
IV. A camada de depleção é formada na junção entre os dois tipos de materiais e será maior quanto maior for a dopagem dos materiais tipo “N” e tipo “P”.
II. A quantidade de portadores majoritários e minoritários não depende da dopagem dos dois tipos de materiais, tipo “N” e tipo “P”.
III. A polarização reversa do diodo tende a diminuir a camada de depleção.
IV. A camada de depleção é formada na junção entre os dois tipos de materiais e será maior quanto maior for a dopagem dos materiais tipo “N” e tipo “P”.
O objetivo é verificar, uma a uma, quais dessas afirmações são verdadeiras.
Passo 2
Para responder com segurança, vamos revisar passo a passo os conceitos básicos que entram na definição de diodo de junção PN. Vou explicar cada conceito bem devagar para ficar fácil na prova.
-
Doping: quando um semicondutor intrínseco (silício puro) recebe impurezas, passa a ser do tipo n (doadores, elétrons como portadores majoritários) ou do tipo p (aceptores, lacunas/holes como portadores majoritários).
- Notação:
é a concentração de doadores em um material tipo n; é a concentração de aceitadores em um material tipo p.
- Notação:
-
Portadores majoritários e minoritários:
- Em um semicondutor tipo n, a concentração de elétrons majoritários
é aproximadamente (quando é muito maior que a concentração intrínseca ). A concentração de lacunas minority é dada por , que se aproxima de . - Em um semicondutor tipo p, a concentração de lacunas
e a concentração de elétrons minoritários . - Aqui
é a concentração intrínseca de portadores do silício (uma constante para dada temperatura).
Esses fatos já mostram que a dopagem influencia diretamente as concentrações de portadores.
- Em um semicondutor tipo n, a concentração de elétrons majoritários
Passo 3
Explicando como a região de depleção se forma (isso responde à afirmação I):
- Ao juntar um semicondutor tipo n com um tipo p, elétrons do lado n difundem para o lado p (porque há gradiente de concentração) e lacunas do lado p difundem para o lado n. Quando elétrons e lacunas se encontram eles se recombinam.
- Essa recombinação próxima à junção deixa para trás íons fixos: no lado n ficam íons doadores ionizados positivos (
) e, no lado p, íons aceitadores ionizados negativos ( ). Esses íons fixos criam uma região com pouca carga móvel (poucos elétrons livres e poucas lacunas) chamada de região de depleção ou camada de depleção. - Importante: a camada de depleção não é formada apenas pelo “deslocamento de cargas negativas dentro do N”. Ela resulta do deslocamento e recombinação de ambos os tipos de portadores (elétrons e lacunas) e da formação dos íons fixos (doadores positivos e aceitadores negativos) que criam a carga espacial.
Portanto, a formulação I está incorreta ou muito imprecisa; a depleção não é somente “deslocamento de elétrons no N”.
Passo 4
Sobre a dependência das concentrações de portadores na dopagem (isso responde à afirmação II):
- Já escrevi acima as relações:
- Em n-type:
- Em p-type:
- Em n-type:
- Essas fórmulas mostram claramente que tanto os portadores majoritários quanto os minoritários dependem da dopagem
e . A dopagem altera dramaticamente as concentrações relativas.
Portanto, a afirmação II (“a quantidade de portadores não depende da dopagem”) é falsa.
Passo 5
Efeito da polarização reversa sobre a camada de depleção (isso responde à afirmação III):
- Quando o diodo está em polarização direta (forward), a barreira de potencial é reduzida e portadores conseguem atravessar a junção — a região de depleção encolhe.
- Quando o diodo está em polarização reversa (reverse), a tensão externa aumenta a barreira de potencial e “puxa” cargas, aumentando a região sem portadores móveis: a camada de depleção se alarga. Fisicamente, a tensão reversa aumenta o campo elétrico na junção e amplia a extensão onde existem os íons fixos.
- Logo, a afirmação III, que diz que a polarização reversa tende a diminuir a camada de depleção, é justamente o contrário do que acontece: em polarização reversa a camada aumenta. Assim, III é falsa.
Passo 6
Dependência do tamanho da camada de depleção com a dopagem (isso responde à afirmação IV):
- A camada de depleção tem largura total
que, para uma junção abrupta e sem tensões externas (ou incluindo uma tensão reversa ), pode ser expressa por uma fórmula padrão (aqui só para entendimento qualitativo e para ver dependência de e ):
onde
é a permissividade do semicondutor,
é a carga do elétron,
é a tensão de built-in (potencial de contato) e
é a tensão reversa aplicada (positiva se for reversa).
- Observe na fórmula o fator
: quanto maiores e (ou seja, maior a dopagem), menor é esse fator, logo menor será . Em palavras simples: maior dopagem ⇒ mais íons por volume ⇒ a mesma carga necessária para equilibrar a junção exige uma largura menor da depleção. - Portanto, a parte da afirmação IV que diz “será maior quanto maior for a dopagem” está errada: na verdade a largura da depleção diminui quando aumenta a dopagem. A primeira metade da frase (“A camada de depleção é formada na junção entre os dois tipos de materiais”) está correta, mas o que importa para a validade da alternativa é a frase inteira; como a segunda parte está incorreta, a afirmação IV como um todo é falsa.
Passo 7
Resumo lógico das quatro afirmações depois das explicações:
- I: falsa (formação da depleção é por difusão/recominação de ambos os portadores e íons fixos, não apenas deslocamento de elétrons no N).
- II: falsa (concentrações de portadores dependem da dopagem; majoritários ≈ dopagem).
- III: falsa (polarização reversa amplia a camada de depleção, não diminui).
- IV: falsa (a depleção existe na junção — parte correta —, mas sua largura diminui quando a dopagem aumenta, portanto a segunda parte é incorreta).
Como nenhuma das afirmações é correta, a alternativa correta é a que diz que nenhuma está correta.
Resposta
(E) Nenhuma das afirmativas está correta.