O que é um Diodo Junção PN?

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O que é um Diodo PN?

Diodo PN

Um diodo PN é um componente básico na eletrônica. Neste tipo de diodo, um lado do semicondutor é dopado com impurezas aceitadoras (tipo P) e o outro lado com impurezas doadoras (tipo N). Este diodo pode ser classificado como ‘graduado em etapas’ ou ‘graduado linearmente’.

Em um diodo PN graduado em etapas, a concentração de dopante é uniforme em ambos os lados até a junção. Em uma junção graduada linearmente, a concentração de dopagem muda quase linearmente com a distância da junção. Sem nenhuma tensão aplicada, elétrons livres se movem para o lado P e buracos se movem para o lado N, onde se combinam.

Os átomos aceitadores próximos à junção no lado P tornam-se íons negativos, e os átomos doadores próximos à junção no lado N tornam-se íons positivos. Isso cria um campo elétrico que opõe a difusão adicional de elétrons e buracos. Esta região com íons descobertos é chamada de região de esgotamento.

Se aplicarmos uma tensão de polarização direta ao diodo PN. Isso significa que se o lado positivo da bateria estiver conectado ao lado P, a largura da região de esgotamento diminui e os portadores de carga (buracos e elétrons livres) fluem através da junção. Se aplicarmos uma tensão de polarização inversa ao diodo, a largura do esgotamento aumenta e nenhuma carga pode fluir através da junção.

Características do Diodo PN

Vamos considerar uma junção PN com uma concentração de doadores ND e uma concentração de aceitadores NA. Vamos também assumir que todos os átomos doadores tenham doado elétrons livres e se tornado íons doadores positivos e que todos os átomos aceitadores tenham aceitado elétrons e criado buracos correspondentes, tornando-se íons aceitadores negativos. Portanto, podemos dizer que a concentração de elétrons livres (n) e íons doadores ND são as mesmas e, de forma semelhante, a concentração de buracos (p) e íons aceitadores (NA) são as mesmas. Aqui, ignoramos os buracos e elétrons livres criados nos semicondutores devido a impurezas e defeitos não intencionais.

Através da junção PN, os elétrons livres doados pelos átomos doadores no lado N difundem para o lado P e se recompõem com os buracos. De maneira similar, os buracos criados pelos átomos aceitadores no lado P difundem para o lado N e se recompõem com os elétrons livres. Após este processo de recomposição, há uma falta ou esgotamento de portadores de carga (elétrons livres e buracos) através da junção. A região através da junção onde os portadores de carga livres se esgotam é chamada de região de esgotamento.

Devido à ausência de portadores de carga livres (elétrons livres e buracos), os íons doadores do lado N e os íons aceitadores do lado P através da junção ficam descobertos. Estes íons doadores positivos descobertos para o lado N adjacente à junção e íons aceitadores negativos descobertos para o lado P adjacente à junção causam uma carga espacial através da junção PN. O potencial desenvolvido através da junção devido a esta carga espacial é chamado de tensão de difusão. A tensão de difusão através de um diodo PN pode ser expressa como A tensão de difusão cria uma barreira de potencial para a migração adicional de elétrons livres do lado N para o lado P e buracos do lado P para o lado N. Isso significa que a tensão de difusão impede que os portadores de carga cruzem a junção.

Esta região é altamente resistiva devido ao esgotamento de portadores de carga livres nesta região. A largura da região de esgotamento depende da tensão de polarização aplicada. A relação entre a largura da região de esgotamento e a tensão de polarização pode ser representada por uma equação chamada Equação de Poisson. Aqui, ε é a permissividade do semicondutor e V é a tensão de polarização. Portanto, com a aplicação de uma tensão de polarização direta, a largura da região de esgotamento, isto é, a barreira PN, diminui e, eventualmente, desaparece.

Portanto, na ausência de barreira de potencial através da junção nas condições de polarização direta, os elétrons livres entram na região P e os buracos entram na região N, onde se recompõem e liberam um fóton em cada recomposição. Como resultado, haverá uma corrente direta fluindo através do diodo. A corrente através da junção PN é expressa como Aqui, a tensão V é aplicada através da junção PN e a corrente total I flui através da junção PN.

I s é a corrente de saturação inversa, e = carga do elétron, k é a constante de Boltzmann e T é a temperatura em escala Kelvin.

O gráfico abaixo mostra a característica corrente-tensão de um diodo PN. Quando V é positivo, a junção está polarizada diretamente, e quando V é negativo, a junção está polarizada inversamente. Quando V é negativo e menor que VTH, a corrente é mínima. Mas quando V excede VTH, a corrente se torna repentinamente muito alta. A tensão VTH é conhecida como tensão de limiar ou tensão de corte. Para um diodo de silício, VTH = 0,6 V. Em uma tensão inversa correspondente ao ponto P, há um aumento abrupto na corrente inversa. Esta parte das características é conhecida como região de quebra.