Suponha, para o modelo de tensão constante, que
, para todos os exercícios abaixo.
Explique como ocorre a formação da barreira de potencial em uma junção PN, detalhando os processos físicos que envolvem a difusão de portadores de carga e a criação da região de depleção.
Explique como ocorre a formação da barreira de potencial em uma junção PN, detalhando os processos físicos que envolvem a difusão de portadores de carga e a criação da região de depleção.
Passo 1
Beleza, então o enunciado pede pra gente explicar como surge a barreira de potencial numa junção PN, falando dos processos de difusão de elétrons e buracos e de como se forma a região de depleção. O conteúdo aqui é dispositivos semicondutores (junção PN) e vamos precisar lembrar de:
- O que é dopagem tipo N e tipo P
- Como ocorre a difusão de portadores
- Como se forma a região de depleção e o campo elétrico interno
- Como isso leva ao potencial de barreira (tensão de equilíbrio
)
Passo 2
Primeiro, lembra que na região tipo N você tem dopantes doadores (átomos que liberam elétrons) e, na P, dopantes aceitadores (átomos que capturam elétrons, criando “buracos”). Então, na fronteira entre as duas, vão rolar dois processos:
- Elétrons livres da N vão difundir (escapar) para o lado P, pois há muitos elétrons de um lado e poucos do outro.
- Buracos livres da P fazem o caminho inverso, indo para o N.
Esse movimento espontâneo de portadores — devido ao gradiente de concentração — é o que chamamos de difusão.
Passo 3
Conforme elétrons se movem N→P, eles acabam encontrando buracos e se recombinam ali perto da junção, e vice-versa. O resultado é que nessa região próxima à interface sobra íon positivo fixo (no lado N) e íon negativo fixo (no lado P). É o começo da chamada região de depleção, porque ficou “depletada” de portadores móveis.
Passo 4
Esses íons fixos carregados formam um campo elétrico interno
apontando de N para P, que tende a puxar elétrons de volta para o N e buracos de volta para o P. Esse campo cresce até equilibrar exatamente a taxa de difusão. Nesse ponto, atinge-se o equilíbrio térmico e estabelece-se a barreira de potencial
:
onde
-
é a constante de Boltzmann, -
a temperatura absoluta, -
a carga elementar, -
as concentrações de aceitadores e doadores, -
a concentração intrínseca do semicondutor.
Na prática, pra silício com dopagens típicas, esse
fica em torno de 0,6 a 0,8 V, bem parecido com o
mV que o enunciado menciona pro modelo de tensão constante.
Resposta
A barreira de potencial surge porque, ao difundir elétrons da N para a P e buracos da P para a N, formam-se íons fixos na região de depleção que criam um campo elétrico interno. Esse campo cresce até impedir o fluxo líquido de portadores, estabelecendo um potencial
(tipicamente ~0,7 V em silício) que equilibra exatamente a difusão e a força elétrica.