Semicondutores e a junção PN

Semicondutores e a junção PN

A base física mínima para compreender diodos, transistores BJT e MOSFET.

Antes de analisar um amplificador, precisamos de uma ideia simples: em um semicondutor, a quantidade e o movimento dos portadores de carga podem ser controlados. Diodos, transistores bipolares e MOSFETs exploram esse controle de formas diferentes.

Objetivos

Ao terminar este capítulo, você deverá conseguir:

• distinguir semicondutor intrínseco de semicondutor dopado;
• identificar portadores majoritários em materiais tipo N e tipo P;
• explicar a formação da região de depleção em uma junção PN;
• relacionar polarização direta e reversa com a corrente do diodo;
• reconhecer por que a junção PN reaparece na análise do BJT.

Do material puro ao material dopado

O silício possui quatro elétrons de valência. Em um cristal ideal, esses elétrons participam de ligações covalentes. A energia térmica pode romper uma ligação e criar simultaneamente:

• um elétron livre, capaz de se deslocar pela rede;
• uma lacuna, que representa a ausência de um elétron e se comporta como uma carga positiva móvel.

No silício intrínseco, elétrons e lacunas aparecem em quantidades iguais. A dopagem altera esse equilíbrio:

As letras N e P indicam o tipo de portador majoritário; não significam que o cristal inteiro tenha carga elétrica líquida.

Formação da junção PN

Quando materiais P e N são colocados em contato, elétrons difundem-se do lado N para o lado P e lacunas difundem-se no sentido oposto. Próximo à interface, esses portadores se recombinam. Permanecem íons fixos que formam uma região de depleção, pobre em portadores móveis.

Os íons criam um campo elétrico interno. Em equilíbrio, esse campo se opõe à difusão adicional. A largura da região de depleção e a barreira de potencial mudam quando aplicamos uma tensão externa.

Polarização direta

Com o lado P em potencial maior que o lado N, a barreira diminui e a corrente cresce rapidamente. Para um diodo de silício em correntes usuais de bancada, uma queda entre aproximadamente 0,6 V e 0,8 V é comum — não existe, porém, uma queda universal e perfeitamente constante de 0,7 V.

Polarização reversa

Com o lado P em potencial menor, a região de depleção aumenta. Resta uma corrente reversa pequena até que se alcance a região de ruptura. A tensão de ruptura depende do dispositivo e não deve ser confundida com operação normal.

Equação de Shockley

Um modelo útil para a corrente do diodo é

em que:

• $I_S$ é a corrente de saturação reversa;
• $n$ é o fator de idealidade;
• $V_T=kT/q$ é a tensão térmica, aproximadamente $25{,}9\,\text{mV}$ a $25\,^\circ\text{C}$.

O crescimento exponencial explica por que uma pequena variação de tensão pode produzir grande variação de corrente. Mais adiante, a linearização dessa mesma exponencial originará a transcondutância do BJT.

Três modelos para três perguntas

Não há um único modelo correto para todas as situações:

1. Diodo ideal: útil para descobrir rapidamente quais ramos conduzem.
2. Queda constante: útil em cálculos aproximados, usando por exemplo $V_D\approx0{,}7\,\text{V}$.
3. Modelo exponencial: necessário para estudar variações de corrente, temperatura e pequenos sinais.

Escolher o modelo é parte da solução. Um cálculo detalhado com hipóteses inadequadas não é mais confiável que uma boa aproximação bem justificada.

Relação com BJT e MOSFET

O BJT contém duas junções PN e sua corrente de coletor depende exponencialmente de $V_{BE}$. Por isso, temperatura e polarização são centrais em amplificadores bipolares.

No MOSFET, o terminal de porta é isolado por óxido e controla um canal por campo elétrico. A física é diferente, mas a estratégia de circuitos será a mesma: estabelecer um ponto de operação e linearizar o dispositivo ao redor desse ponto.

Verificação rápida

1. Por que um material tipo N continua eletricamente neutro?
2. O que acontece com a região de depleção na polarização direta?
3. Por que a aproximação de 0,7 V não deve ser tratada como uma constante física exata?

No próximo capítulo, a junção PN será usada para converter sinais alternados em uma tensão unidirecional.