Junções p-n e Encurvamento de Bandas

A união de semicondutores do tipo p e do tipo n alinha seus níveis de Fermi, encurvando as bandas e criando um campo elétrico interno que permite que a corrente flua facilmente em apenas uma direção, a essência do diodo.

Definition

Uma junção p-n é a interface entre um semicondutor do tipo p e um do tipo n; em equilíbrio, a difusão de portadores cria uma região com depleção de carga e um campo elétrico interno que encurva as bandas para que o nível de Fermi seja constante, e uma polarização aplicada desequilibra esse campo para gerar um fluxo de corrente retificador.

Scope

Este tópico aborda a física da junção p-n: a difusão de portadores através da junção metalúrgica, a região de depleção resultante e o potencial interno, o encurvamento de bandas que equaliza o nível de Fermi e a característica retificadora corrente-tensão sob polarização direta e reversa. Trata da equação do diodo de Shockley, da largura e capacitância da camada de depleção e da ruptura, fornecendo o bloco de construção para diodos, transistores e células solares.

Core questions

• Por que a união de material do tipo p e do tipo n cria uma região de depleção e um potencial interno?
• Como o encurvamento de bandas mantém o nível de Fermi constante através da junção em equilíbrio?
• Por que a junção conduz facilmente sob polarização direta, mas bloqueia a polarização reversa?
• O que determina a largura da camada de depleção, a capacitância da junção e a tensão de ruptura?

Key concepts

• Região de depleção e potencial interno
• Encurvamento de bandas e alinhamento do nível de Fermi
• Polarização direta e reversa
• Equação do diodo de Shockley e retificação
• Capacitância da junção e ruptura

Key theories

Teoria do diodo de Shockley

Shockley derivou a relação exponencial corrente-tensão de uma junção p-n ideal a partir da difusão de portadores minoritários através da região de depleção, explicando a retificação e fornecendo o modelo quantitativo subjacente a diodos e transistores bipolares.

Clinical relevance

A junção p-n é o bloco de construção elementar da eletrônica de semicondutores: diodos retificadores e de sinal, diodos emissores de luz, fotodiodos e células solares são junções, e transistores bipolares e de efeito de campo são construídos a partir de combinações deles.

History

Ohl identificou a retificação em uma fronteira p-n de silício em 1939, e a teoria da junção de Shockley de 1949 explicou seu funcionamento e levou diretamente ao transistor de junção, trabalho fundamental reconhecido pelo Prêmio Nobel de 1956 compartilhado com Bardeen e Brattain.

Key figures

• William Shockley
• Russell Ohl
• John Bardeen

Seminal works

• shockley1949
• sze2007

Frequently asked questions

Por que uma junção p-n conduz em apenas uma direção?

A polarização direta diminui a barreira interna, de modo que os portadores majoritários fluem e a corrente aumenta exponencialmente; a polarização reversa aumenta a barreira, deixando apenas uma pequena corrente de portadores minoritários, de modo que a junção atua como uma válvula unidirecional para a corrente.

O que é encurvamento de bandas?

Perto da junção, o campo elétrico interno da região de depleção desloca as bandas de energia locais para cima ou para baixo com a posição; esse encurvamento é exatamente o que mantém o nível de Fermi plano em todo o dispositivo em equilíbrio, conforme exigido para que não haja corrente líquida.