Explique como se estabelece o equilíbrio (corrente nula) numa junção PN em circuito aberto.
Passo 1
Beleza, o exercício pede para a gente explicar de forma bem tranquila como é que, num diodo PN sem nada ligado (circuito aberto), surge o tal “equilíbrio” em que não passa corrente nenhuma. O assunto é física de semicondutores, mais especificamente a junção PN em regime de equilíbrio térmico. Para resolver isso, a gente vai precisar entender dois conceitos-chave:
- corrente de difusão (porque elétrons e lacunas pulam de onde têm muitos para onde têm poucos)
- corrente de deriva (porque o campo elétrico dentro da junção puxa as cargas para lados opostos)
Passo 2
Logo depois da formação da junção PN (quando o silício tipo P encontra o silício tipo N), elétrons do lado N começam a “espalhar” para o lado P e lacunas do lado P fazem o caminho inverso. Esse espalhamento é a corrente de difusão. A teoria diz que essa corrente elétron-difusão vale:
e, para as lacunas,
onde
-
é a carga elementar, -
e são as difusividades dos elétrons e lacunas, -
e são os gradientes de densidade de portadores.
Ou seja, eles tendem a “escapar” da zona de alta concentração (o lado N para elétrons, o lado P para lacunas).
Passo 3
Só que, à medida que esses portadores deixam a região próxima à junção, vão carregando carga e formando uma zona de cargas espaciais fixas (íonizadas) sem portadores livres. Isso gera um campo elétrico interno
apontando de N para P (ou seja, da região positiva para a negativa que ficou para trás). Esse campo faz surgir correntes de deriva contrárias à difusão:
onde
e
são as mobilidades de elétrons e lacunas.
Passo 4
Com o tempo, o campo elétrico interno cresce até que as correntes de deriva fiquem exatamente iguais (em módulo) às correntes de difusão, mas com sentido contrário. Quando isso rola, a soma total das correntes de elétrons e lacunas vira zero:
Esse balanço é o tal de “equilíbrio de corrente nula”.
Passo 5
E, detalhe legal: esse equilíbrio está ligado a uma barreira de potencial interno chamada “tensão de built-in” (
). Ela vale aproximadamente
mas o ponto principal é que esse potencial interno impede qualquer corrente líquida quando o diodo está em circuito aberto.
Resposta
No circuito aberto, a corrente de difusão (de elétrons e lacunas cruzando a junção) gera um campo elétrico interno que, por sua vez, produz correntes de deriva de mesmo módulo e sentido oposto. Quando essas correntes se igualam, a corrente total fica zero: esse é o equilíbrio numa junção PN em circuito aberto.