Junção P-N: Criação da região de depleção

Este é um texto que fiz durante a disciplina de Introdução aos Dispositivos Semicondutores. Explica como a Região de Depleção se forma em uma Junção P-N.



Supondo-se uma junção P-N em que inicialmente ambas as regiões estão neutras, como se dois semicondutores (um tipo P e outro tipo N) tivessem acabado de se juntar em um único semicondutor, vamos descrever o que precede a formação da região de depleção (ou região de carga espacial).


O equilíbrio de cargas em um semicondutor dopado

Inicialmente, vamos explicar quem são os portadores de carga em um semicondutor dopado. Começando pelo semicondutor extrínseco do tipo N (dopado com impurezas doadoras de elétrons), devemos lembrar que nele há duas formas de criação de elétrons livres.

A primeira é através da formação de pares elétron-buraco [S. Rezende - Cap. 5, p. 125] onde o elemento semicondutor base do cristal (Silício ou Germânio) perde um elétron da banda de valência para a banda de condução, graças à excitação térmica, gerando um buraco na banda de valência (elemento com um elétron faltando -> íon positivo).

A segunda forma, muito mais expressiva em termos quantitativos do que a primeira, acontece graças às impurezas doadoras presentes no cristal. Estas impurezas são do grupo V da tabela periódica (P, As, Sb, etc.), enquanto o elemento semicondutor base é do grupo IV (Si ou Ge). A impureza, assim como o elemento semicondutor base, tornam-se estáveis fazendo quatro ligações covalentes, ficando com oito elétrons em sua última camada interna (como um gás nobre - Regra do Octeto). A impureza, no entanto, possui um elétron que não realiza ligação com nenhum outro, possuindo uma fraca ligação ao átomo substitucional. Graças à excitação térmica, este átomo é ionizado e seu quinto elétron vai para a banda de condução. Ou seja, no caso das impurezas doadoras, os elétrons doados deixam para trás um íon carregado positivamente plenamente estável, que não irá se comportar como um buraco. Será uma carga positiva fixa no cristal, que não voltará a se recombinar com elétrons.

Dito isso, concluímos que embora o semicondutor tipo N tenha uma concentração de elétrons muito maior que a de buracos, a carga total do semicondutor continua neutra graças às impurezas ionizadas positivamente, que são em igual quantidade ao número de elétrons adicionais, trazidos por elas. A geração de pares elétron-buraco também não desequilibra a carga total do semicondutor, pois como o próprio nome diz, esta geração é sempre feita em pares, criando cargas com valores opostos.

Em um semicondutor do tipo P, as impurezas são do grupo III da tabela periódica (B, Al, Ga ou In), e podem fazer apenas três ligações covalentes com seus vizinhos. Todavia, com apenas seis elétrons na última camada, eles continuam instáveis, precisando de mais dois elétrons para completar oito elétrons e tornarem-se estáveis.

Então, para alcançar a estabilidade, o elemento substitucional (B, Al, Ga ou In) captura um elétron de valência de algum átomo vizinho (Si ou Ge) e faz uma ligação covalente utilizando aquele novo elétron, completando oito elétrons na sua última camada interna, com quatro ligações covalentes. Desta forma, a impureza torna-se estável e ionizada negativamente, com um elétron a mais em sua estrutura original.

O elétron capturado pela impureza é disponibilizado por algum átomo vizinho após este quebrar uma de suas quatro ligações covalentes. Ao entregar este elétron à impureza, o átomo torna-se ionizado positivamente e instável. Este átomo de Silício ou Germânio (elemento base do semicondutor dopado), carregado positivamente e ávido por um elétron (para repor aquele que ele acabou de perder para a impureza) é exatamente o que chamamos de buraco.

Ocasionalmente, o elemento base ionizado positivamente (buraco), captura um elétron de algum outro átomo vizinho (semelhantemente ao comportamento inicial da impureza) para alcançar novamente sua estabilidade. O átomo que antes estava ionizado passa a estar neutro ao capturar o elétron, e seu vizinho passa a estar ionizado positivamente. Este movimento da carga positiva (causado pela doação e captura de elétrons na banda de valência entre átomos vizinhos) é a definição do “movimento dos buracos”. De fato não há movimento de partículas carregadas positivamente, e sim de elétrons (na banda de valência). Todavia, para fins práticos, os buracos são tratados como partículas móveis carregadas positivamente, inclusive possuindo massa como mostrado em [S. Rezende – Cap.5, p.122].

No semicondutor do tipo P, assim como no tipo N, há formação de pares elétron-buraco por excitação térmica. Assim os portadores de carga neste tipo de semicondutor são:
  1. Buracos criados a partir da geração de pares elétron-buraco;
  2. Elétrons criados a partir da geração de pares elétron-buraco;
  3. Buracos criados a partir da absorção de elétrons pela impureza;
  4. Impureza ionizada negativamente;
Sabemos que as quantidades dos portadores dos itens 1 e 2 são iguais, assim como as quantidades dos portadores dos itens 3 e 4, por serem cargas criadas simultaneamente, aos pares, e com valores opostos. Assim o semicondutor dopado com impurezas aceitadoras mantém-se com carga total neutra (nula).

É interessante frisar que o movimento de buracos (que é composto pela quebra de uma ligação covalente e posterior doação/captura de elétron), é um processo mais lento do que a livre circulação de elétrons pela banda de condução. Por isso a mobilidade dos buracos possui sempre um valor menor do que a mobilidade dos elétrons.



Difusão de elétrons e buracos

Chamamos de difusão o espalhamento de partículas, através de movimentos aleatórios, de uma região de maior concentração para uma de menor concentração.

No lado N, há uma alta concentração de elétrons na banda de condução. Nesta banda de energia, os elétrons podem mover-se livremente, não fazendo ligações com um átomo individualmente, sendo, portanto, chamados de ‘elétrons livres’. Além disso, devido à agitação térmica, os elétrons movem-se aleatoriamente, sem sentido definido. Estas características permitem o processo de difusão de elétrons. Quando uma região com alta concentração de elétrons livres (lado N) é posto em contato com uma região com concentração bem menor (lado P), os elétrons fluem naturalmente de um lado (N) para o outro (P).

De forma análoga, os buracos na banda de valência em alta concentração no lado P fluem para o lado N (onde há poucos buracos).



Encontro entre elétrons e buracos - Recombinação

Devido ao processo de difusão, alguns elétrons do lado N atravessam a junção e entram no lado P do semicondutor, assim como alguns buracos do lado P, que também se deslocam, mas para o lado N. Na região próxima da junção, portanto, podem acontecer encontros entre buracos e elétrons, que resultam em recombinações.

Após uma recombinação, um elétron livre e um buraco deixam de existir: o elétron passa da banda de condução para a banda de valência (deixa de ser um elétron livre) e o buraco, que era um átomo ionizado (havia perdido um elétron da banda de valência), captura o elétron e torna-se neutro.



Criação da região de depleção


Devido à recombinação, os elétrons e buracos próximos à junção começam a ser consumidos, criando um desequilíbrio de cargas nesta região. A carga negativa dos elétrons do lado N, que se equilibrava com a carga positiva das impurezas doadoras, deixa de existir, resultando em uma carga total positiva do lado N, próxima a junção.

No lado P, os buracos que equilibravam a carga negativa das impurezas aceitadoras também deixam de existir, predominando a carga negativa destas impurezas, na região próxima à junção.



Na região distante da junção, o semicondutor continua neutro. Apenas na região próxima à junção, onde houve depleção dos elétrons livres e buracos, há presença de cargas não compensadas.

Estas cargas não compensadas, por sua vez, geram um campo eletrostático que dificulta a difusão de portadores de carga livres. No lado P, as impurezas ionizadas negativamente criam um campo que dificulta a difusão de elétrons do lado N para o lado P. E no lado N, as cargas positivas das impurezas dificultam a travessia dos buracos que vêm do lado P.

À medida que as recombinações acontecem, a região de depleção cresce, assim como a carga não compensada e o campo eletrostático gerado por elas.

Em algum momento, esta força eletrostática será grande o suficiente para impedir a difusão, e então a quantidade de portadores de carga livres parará de diminuir e a região de depleção parará de aumentar, atingindo o equilíbrio.

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