Explique o funcionamento de uma junção pn de acordo a sua característica i x v.
Passo 1
Beleza, vamos lá! O exercício pede para explicar como funciona uma junção pn olhando para a sua característica corrente-tensão (i x v). Isso envolve entender o que é uma junção pn, como ela reage quando aplicamos diferentes tensões e como a corrente se comporta nessas situações. Para resolver isso, vamos precisar conhecer os conceitos de semicondutores, regiões p e n, a barreira de potencial, e como a aplicação de tensão afeta o fluxo de corrente.
Passo 2
Primeiro, vamos entender o que é uma junção pn. Uma junção pn é formada quando juntamos dois tipos de semicondutores: o tipo p, que tem excesso de lacunas (buracos), e o tipo n, que tem excesso de elétrons. Na interface entre eles, ocorre um rearranjo de cargas que cria uma região sem portadores de carga livres, chamada de região de depleção.
Passo 3
Nessa região de depleção, forma-se uma barreira de potencial (Φ) devido à diferença de concentração de dopantes. Essa barreira impede o fluxo livre de elétrons e lacunas. A equação para a barreira de potencial é:
onde
é a constante de Boltzmann,
a temperatura,
a carga do elétron,
e
as concentrações de dopantes, e
a concentração intrínseca de portadores.
Passo 4
Agora, vamos ver como a junção reage a diferentes tensões aplicadas:
-
Polarização direta (forward bias): Quando conectamos o terminal p ao positivo e o n ao negativo, reduzimos a barreira de potencial. Isso facilita o fluxo de elétrons do n para o p e de lacunas do p para o n, aumentando a corrente.
-
Polarização reversa (reverse bias): Aqui, conectamos o terminal p ao negativo e o n ao positivo, aumentando a barreira de potencial. Isso impede o fluxo de portadores, diminuindo a corrente quase a zero.
Passo 5
A característica i x v da junção pn mostra exatamente esse comportamento. No gráfico, vemos que:
- Na polarização direta: A corrente aumenta exponencialmente com a tensão aplicada após um certo ponto de limiar.
- Na polarização reversa: A corrente permanece praticamente constante e muito baixa, até chegar ao ponto de ruptura em altas tensões.
A equação que descreve a corrente em uma junção pn é dada por:
onde
é a corrente de saturação reversa,
a tensão aplicada,
a carga do elétron,
a constante de Boltzmann, e
a temperatura absoluta.
Passo 6
Em resumo, a característica corrente-tensão de uma junção pn mostra como a corrente flui facilmente na polarização direta devido à redução da barreira de potencial, e muito pouco na polarização reversa devido ao aumento dessa barreira. Isso é fundamental para o funcionamento de dispositivos como diodos, que permitem o fluxo de corrente em apenas uma direção.
Resposta
Uma junção pn funciona permitindo o fluxo de corrente elétrica predominantemente na polarização direta, onde a barreira de potencial é reduzida, facilitando a passagem de elétrons e lacunas. Na polarização reversa, a barreira aumentada impede o fluxo de corrente, caracterizando-se por uma corrente muito baixa. A característica i x v da junção pn reflete esse comportamento, mostrando um aumento exponencial da corrente na direção direta e uma corrente quase nula na reversa, sendo essencial para a operação de dispositivos semicondutores como diodos.