Interseção PN
A característica tensão-ampère ou VI de uma conexão PN é a curva entre a tensão na conexão e a corrente do circuito. Normalmente, a tensão é plotada ao longo do eixo X e o enrolamento é plotado ao longo do eixo Y.
No centro de uma junção PN está a conexão entre uma região semicondutora do tipo P, na qual os átomos têm excesso de portadores de carga positiva (buracos), e uma região do tipo N, na qual as partículas são dopadas para terem excesso de portadores de carga negativa (elétrons). ) Exibir. Este encontro de opostos cria uma interface com propriedades notáveis.
Área de esgotamento
Quando as regiões P e N se unem, é criada a chamada zona de depleção. Nesta região faltam operadoras de cobrança gratuita devido à atração de cobranças opostas. Como resultado, um campo elétrico se forma através da conexão, criando uma barreira que resiste ao fluxo de corrente.
Equilíbrio e barreira potencial
Na ausência de uma tensão de polarização externa, a barreira de potencial incorporada impede qualquer movimento significativo dos portadores de carga. Este equilíbrio fornece a base para a compreensão do comportamento das junções PN sob diferentes condições.
Viés direto
Ao aplicar uma tensão positiva ao material do tipo P e uma tensão negativa ao material do tipo N, a barreira de potencial é reduzida. Este processo é chamado de tensão direta. À medida que a fronteira se torna menor, os elétrons se movem do lado N para o lado P e os buracos se movem na direção oposta. Este movimento dos portadores de carga representa um fluxo de corrente elétrica.
Polarização inversa
Por outro lado, aplicar uma tensão positiva ao material do tipo N e uma tensão negativa ao material do tipo P aumenta a barreira de potencial. Esta é uma tensão reversa. A parede fica ainda mais forte e dificulta o fluxo de portadores de carga através da conexão. No entanto, devido aos portadores minoritários, ainda permanece uma pequena corrente reversa, a chamada corrente de fuga.
Avanço e efeito Zener
Em altas tensões reversas, pode ocorrer um fenômeno denominado ruptura. O efeito Zener aumenta o campo elétrico a tal ponto que os pares elétron-buraco são liberados através do tunelamento quântico. Isso leva a um aumento acentuado na corrente, que é frequentemente usada para regular a tensão. A quebra de avalanches causada por colisões de portadores também resulta em aumento de corrente e é útil em aplicações como fotodiodos.
Aplicações na prática
Os diodos, os dispositivos de junção PN mais simples, são essenciais para retificar CA para CC, proteger circuitos contra tensão reversa e muito mais. Transistores de junção bipolar (BJTs) e transistores de efeito de campo (FETs) usam controle de corrente entre as regiões P e N para amplificar sinais e atuar como interruptores na lógica digital.
Efeitos da temperatura e tendências futuras
A temperatura tem um impacto significativo no comportamento das junções PN, influenciando as concentrações de portadores e a largura da zona de depleção. À medida que a tecnologia avança, os pesquisadores exploram constantemente novos materiais e estruturas para melhorar o desempenho e a eficiência dos dispositivos baseados em junção PN.
Característica direta VI
- Uma característica VI típica para uma junção PN polarizada diretamente é mostrada na figura a seguir.
- Pode-se ver que a crise direta aumenta exponencialmente com a tensão direta aplicada. Entretanto, à temperatura ambiente normal, é necessária uma diferença de potencial de cerca de 0,3 V antes que uma quantidade razoável de corrente direta comece a fluir em um composto de germânio.
- Esta tensão é chamada de tensão limite V.º (OU) TENSÃO DE LIGAR (OU) TENSÃO DO JOELHO Vk. Seu valor para junções de silício é de cerca de 0,7 volts.
Características do VI com polarização reversa
A característica VI de tensão reversa de uma junção PN mostra seu comportamento sob a influência de uma tensão reversa aplicada. Vamos explorar os pontos-chave deste fenômeno fascinante em marcadores:
Expansão da zona de esgotamento
A tensão reversa aumenta a largura da zona de depleção e cria um campo elétrico mais forte através da junção. O campo elétrico empurra os portadores majoritários (elétrons no tipo N e buracos no tipo P) para longe da junção, alargando assim a barreira.
corrente de fuga
Apesar da barreira alargada, uma pequena corrente, chamada corrente de fuga ou corrente reversa, flui através da conexão. Esta corrente é criada por portadores minoritários (elétrons minoritários no tipo P e buracos minoritários no tipo N) cruzando a junção devido à geração e difusão de calor.
Relação corrente-tensão
A corrente reversa permanece relativamente constante na banda reversa e aumenta à medida que a tensão reversa se torna mais negativa. A relação entre corrente e tensão nesta faixa não é linear e a corrente está normalmente na faixa de nanoamperes a microamperes.
Fenômeno de colapso
Em uma tensão reversa crítica, a chamada tensão de ruptura, ocorre um aumento abrupto na corrente reversa. O fenômeno de ruptura na relação corrente-tensão é um aspecto crítico no estudo de sistemas elétricos e eletrônicos. Quando uma tensão é aplicada a um condutor ou dispositivo semicondutor, a corrente que flui através dele normalmente aumenta linearmente com a tensão de acordo com a lei de Ohm.
Existem dois tipos de mecanismos de avanço: avanço Zener e avanço de avalanche.
Avanço Zener: Ocorre em junções fortemente dopadas onde o campo elétrico é forte o suficiente para que os elétrons façam um túnel através da região de depleção.
Visão geral da avalanche: Ocorre em junções levemente dopadas, onde elétrons de alta energia ganham energia cinética suficiente para colidir com átomos e liberar mais portadores de carga.
Influência da temperatura
A temperatura influencia as características da barreira, afetando a concentração e a mobilidade dos portadores.
Temperaturas mais altas podem levar ao aumento da corrente de retorno devido ao aumento da geração de portadores.
Limitações e considerações
Uma tensão reversa superior à tensão de ruptura pode causar danos permanentes à junção PN.
Tensão reversa extrema pode causar fuga térmica e falha do dispositivo.
Tendências futuras
Os pesquisadores continuam a explorar materiais e designs inovadores para melhorar o desempenho e a eficiência das junções PN sob condições de polarização reversa.
Conexão PN com polarização direta e reversa combinada
- A figura a seguir mostra as características combinadas do VI direto e reverso para Ge e Si.
- A corrente de fuga do composto Ge é muito maior que a do composto Si.
Viés direto
- A polarização direta aplica uma tensão que reduz a barreira de potencial na junção PN.
- A maioria dos portadores (elétrons no tipo N e lacunas no tipo P) se move através da junção, resultando em fluxo de corrente.
- Neste modo, a junção PN é um condutor que permite a passagem da corrente desejada.
Polarização inversa
- A tendência reversa cria uma zona de esgotamento mais ampla, aumentando a barreira potencial.
- A maioria das portadoras é afastada da conexão, minimizando o fluxo de corrente.
- Uma pequena corrente de fuga reversa flui devido a portadores minoritários (elétrons minoritários no tipo P e lacunas minoritárias no tipo N).
Corte e saturação
- À medida que a tensão direta aumenta, a corrente através da conexão aumenta exponencialmente. Esta é a faixa de saturação.
- Num determinado ponto a corrente atinge um máximo, além do qual permanece constante apesar do aumento da tensão. Esta é a área de desligamento.
- Ao fazer a transição entre essas duas áreas, a junção PN muda de altamente condutiva para levemente condutiva.
Operação combinada
- Quando a junção PN muda de polarização direta para reversa, os portadores de carga armazenados devem deixar a interseção.
- Este processo, denominado recuperação reversa, requer tempo durante o qual flui uma corrente reversa temporária.
- Para aplicações de alta frequência, o gerenciamento eficiente do tempo de recuperação reversa é fundamental.
Aplicações diodos e retificação
- A operação combinada de polarização direta e reversa forma a base da retificação de diodo.
- Os diodos permitem que a corrente flua em uma direção e evitam o fluxo na outra, o que é essencial para converter corrente alternada em corrente contínua.
Efeitos de transição e velocidade de comutação
- Alternar entre polarização direta e reversa causa efeitos transitórios devido ao armazenamento de carga na zona de esgotamento.
- Velocidades de comutação mais rápidas são desejadas na eletrônica moderna, o que traz consigo a necessidade de projetos otimizados de diodos.
Capacitância de junção
- Com polarização combinada, a junção PN atua como um capacitor variável devido à mudança de largura da região de depleção.
- Esta capacitância de junção impacta aplicações de alta frequência e deve ser levada em consideração no projeto do circuito.
Amplificação em transistores
- Os transistores usam uma tensão de polarização combinada para controlar o fluxo de corrente e amplificar os sinais.
- Os transistores de junção bipolar (BJTs) e os transistores de efeito de campo (FETs) dependem do comportamento das junções PN para regular e amplificar a corrente.
Influência da temperatura
- A temperatura influencia as propriedades de polarização direta e reversa, alterando a concentração e a mobilidade dos portadores.
- Para garantir a operação estável do dispositivo sob diferentes condições, esta influência deve ser compreendida.
Papel na eletrônica moderna
- Na eletrônica moderna, o comportamento de polarização combinada é importante na fabricação de uma variedade de dispositivos, desde diodos até circuitos integrados complexos.
- Os engenheiros usam essas propriedades para projetar sistemas eletrônicos eficientes e confiáveis.
termos importantes
Quebre a tensão
É a tensão reversa mínima na qual a junção PN entra em colapso com um aumento repentino na corrente reversa.
Tensão do joelho
Tensão reversa de pico
Noções básicas de junções PN
As junções PN formam a espinha dorsal dos dispositivos semicondutores modernos e desempenham um papel central na sua operação. Uma junção PN é formada conectando uma região do tipo P com excesso de portadores carregados positivamente e uma região do tipo N com muitas faces carregadas negativamente. Esta combinação resulta numa região de depleção, a região de carga espacial, que atua como uma barreira ao fluxo de corrente. Compreender as características VI das junções PN é fundamental para compreender o seu comportamento e o desempenho dos dispositivos associados, como diodos e transistores. Ao estudar as propriedades VI, podemos obter informações valiosas sobre as propriedades de condução, efeitos de polarização e aplicações de junções PN em circuitos eletrônicos.
Conclusão
Em resumo, o estudo das propriedades VI das junções PN fornece uma compreensão profunda do comportamento e da funcionalidade dos dispositivos semicondutores. Engenheiros e pesquisadores obtêm informações valiosas sobre características de condução, efeitos de polarização e áreas ativas de diodos, transistores e outros componentes eletrônicos analisando a relação entre tensão e corrente através de uma junção PN. As propriedades VI nos permitem determinar o comportamento de polarização direta e reversa das junções PN e explorar suas aplicações em vários projetos de circuitos. Ao aprofundar a nossa compreensão destas propriedades, podemos aproveitar todo o potencial das junções PN para desenvolver dispositivos eletrónicos inovadores e eficientes que impulsionem o progresso tecnológico. A pesquisa e exploração contínuas das propriedades VI contribuirão, sem dúvida, para o desenvolvimento de tecnologias de ponta em semicondutores e abrirão caminho para avanços futuros neste campo.
