O que é e a que se deve a tensão de barreira?
Passo 1
O enunciado pergunta o que é a tensão de barreira em uma junção
n de semicondutor e a que fenômeno físico ela se deve. Vamos usar conceitos de física de semicondutores, em particular difusão de portadores e equilíbrio de Fermi, para explicar o que gera esse potencial interno.
Passo 2
A tensão de barreira — também chamada de potencial de equilíbrio ou built-in potential — é a diferença de potencial elétrico estabelecida espontaneamente através da região de depleção (esgotamento) de uma junção
n em equilíbrio térmico. Esse potencial impede que elétrons do lado
continuem difundindo para o lado
(e vice-versa) uma vez que o sistema atinge equilíbrio.
Passo 3
Fisicamente, a tensão de barreira surge porque, ao se formar a junção, elétrons do material tipo
difundem-se para o lado tipo
e buracos do lado
difundem-se para o lado
. Cada transporte de carga deixa íons fixos carregados na região próxima à junção, criando uma região sem portadores livres (depleção). Os íons positivos no lado
e negativos no lado
geram um campo elétrico que tende a puxar de volta as cargas difusas, até que a corrente de dreno (drift) equilibre a corrente de difusão.
Passo 4
Do ponto de vista termodinâmico, em equilíbrio térmico o nível de Fermi fica uniforme em toda a junção. A diferença de potencial
entre as bandas do material
e
vem de
e pode ser escrita em função das concentrações de dopagem
(aceitadores) e
(dadores) e da concentração intrínseca
:
Passo 5
Portanto, a tensão de barreira depende diretamente da temperatura
(pela escala térmica
) e dos níveis de dopagem
e
. Quanto maior a dopagem, maior será
, pois o gradiente de concentração de portadores é maior, exigindo um potencial mais intenso para equilibrar difusão e drift.
Resposta
A tensão de barreira é o potencial interno
que se forma na região de depleção de uma junção
n em equilíbrio. Ela se deve à difusão inicial de elétrons e buracos que deixa íons fixos carregados na vizinhança da junção, criando um campo elétrico que, em equilíbrio, impede a continuação da difusão. Matematicamente,