a) Descreva, com suas próprias palavras, como a construçảo do diodo de portadores quentes é significativamente diferente da construçảo do diodo semicondutor convencional.
b) Descreva também seu modo de operação.
b) Descreva também seu modo de operação.
Passo 1
O enunciado pede para compararmos a construção de um diodo de portadores quentes com a de um diodo semicondutor convencional e, em seguida, descrever o modo de operação do diodo de portadores quentes. O conteúdo envolve conceitos de junção p–n, barreiras de potencial, transporte de elétrons e fenômenos de relaxação (ou não) de portadores.
Passo 2
Construção do diodo semicondutor convencional:
– Temos duas regiões de silício (ou outro semicondutor) dopadas, uma tipo p e outra tipo n.
– Na interface forma-se uma região de depleção onde se estabelece um campo elétrico interno.
– Nas extremidades há contatos metálicos de Ohmic para injetar e coletar portadores.
– Tipicamente a espessura da região de depleção é da ordem de dezenas a centenas de nanômetros, bem maior que o caminho-livre médio de portadores quentes, de modo que eles relaxam termicamente antes de atravessar a junção.
– Temos duas regiões de silício (ou outro semicondutor) dopadas, uma tipo p e outra tipo n.
– Na interface forma-se uma região de depleção onde se estabelece um campo elétrico interno.
– Nas extremidades há contatos metálicos de Ohmic para injetar e coletar portadores.
– Tipicamente a espessura da região de depleção é da ordem de dezenas a centenas de nanômetros, bem maior que o caminho-livre médio de portadores quentes, de modo que eles relaxam termicamente antes de atravessar a junção.
Passo 3
Construção do diodo de portadores quentes:
– Em vez de uma junção p–n massivamente dopada, usa-se uma barreira fina de potencial (por exemplo, um filme isolante ou heterojunção de poço quântico) com espessura comparável ou menor que o caminho-livre médio dos elétrons.
– Os contatos podem ser metálicos ou semicondutores de alta dopagem, mas a chave é a barreira ultrafina que permite tunelamento ou trânsito quase balístico de elétrons.
– Não há uma região de depleção “clássica” extensa: a barreira de potencial é projetada para filtrar só portadores acima de certa energia antes que eles se relaxem.
– Em vez de uma junção p–n massivamente dopada, usa-se uma barreira fina de potencial (por exemplo, um filme isolante ou heterojunção de poço quântico) com espessura comparável ou menor que o caminho-livre médio dos elétrons.
– Os contatos podem ser metálicos ou semicondutores de alta dopagem, mas a chave é a barreira ultrafina que permite tunelamento ou trânsito quase balístico de elétrons.
– Não há uma região de depleção “clássica” extensa: a barreira de potencial é projetada para filtrar só portadores acima de certa energia antes que eles se relaxem.
Passo 4
Principais diferenças na construção:
– Diodo convencional: junção p–n larga, transporte difusivo de portadores que se espalham e relaxam termicamente.
– Diodo de portadores quentes: barreira fina (M–I–S ou poço quântico) que força o transporte quase balístico e filtra somente elétrons “quentes” (alta energia) antes que se equilibrem com a rede cristalina.
– No diodo de portadores quentes não precisamos de doping pesado para formar a junção; precisamos é de uma barreira de potencial bem afinada e camada muito fina.
– Diodo convencional: junção p–n larga, transporte difusivo de portadores que se espalham e relaxam termicamente.
– Diodo de portadores quentes: barreira fina (M–I–S ou poço quântico) que força o transporte quase balístico e filtra somente elétrons “quentes” (alta energia) antes que se equilibrem com a rede cristalina.
– No diodo de portadores quentes não precisamos de doping pesado para formar a junção; precisamos é de uma barreira de potencial bem afinada e camada muito fina.
Passo 5
Modo de operação do diodo de portadores quentes:
- Sob viés direto, os elétrons no emissor (metal ou semicondutor fortemente dopado) ganham energia suficiente do campo elétrico para ficarem “quentes”, ou seja, acima da energia de Fermi local.
- Esses elétrons atravessam a barreira fina por tunelamento ou trânsito balístico, mantendo boa parte de sua energia cinética (não relaxam por espalhamento fonônico, pois a distância é menor que o caminho-livre médio).
- Do outro lado da barreira, um coletor (ou segundo contato) extrai apenas os elétrons que têm energia maior que a barreira de potencial de saída, gerando corrente.
- O resultado é uma corrente rápida e com portadores de alta energia, útil em detecção ultrarrápida, retificação em frequências muito altas ou em células fotovoltaicas de portadores quentes.
Resposta
a) Na construção, um diodo convencional usa uma junção p–n larga e dopagens para criar a depleção, enquanto o diodo de portadores quentes substitui essa junção por uma barreira de potencial ultrafina (M–I–S ou poço quântico), de modo que elétrons cruzem quase sem colidir e sem relaxar.
b) No modo de operação, aplica-se viés direto para acelerar elétrons até energia alta (“quentes”), eles atravessam a barreira balisticamente ou por tunelamento antes de relaxar, e são coletados seletivamente pelo contato de saída, gerando corrente rápida e de alta energia.
b) No modo de operação, aplica-se viés direto para acelerar elétrons até energia alta (“quentes”), eles atravessam a barreira balisticamente ou por tunelamento antes de relaxar, e são coletados seletivamente pelo contato de saída, gerando corrente rápida e de alta energia.