La giunzione p-n possiede proprietà essenziali per l’elettronica moderna. Un semiconduttore drogato p è relativamente conduttivo. Lo stesso vale per un semiconduttore drogato n, ma la giunzione tra loro può impoverirsi di portatori di carica, e quindi diventare non conduttiva, a seconda delle tensioni relative delle due regioni di semiconduttori. Manipolando questo strato non conduttivo, le giunzioni p-n sono comunemente usate come diodi: elementi di circuito che permettono un flusso di elettricità in una direzione ma non nell’altra (opposta). La polarizzazione è l’applicazione di una tensione attraverso una giunzione p-n; la polarizzazione in avanti è nella direzione di un facile flusso di corrente, e la polarizzazione inversa è nella direzione di un flusso di corrente minimo o nullo.
Le proprietà di polarizzazione in avanti e inversa della giunzione p-n implicano che essa può essere usata come diodo. Un diodo a giunzione p-n permette alle cariche elettriche di fluire in una direzione, ma non nella direzione opposta; le cariche negative (elettroni) possono facilmente fluire attraverso la giunzione da n a p ma non da p a n, e il contrario è vero per i buchi. Quando la giunzione p-n è polarizzata in avanti, la carica elettrica scorre liberamente a causa della ridotta resistenza della giunzione p-n. Quando la giunzione p-n è a polarizzazione inversa, tuttavia, la barriera di giunzione (e quindi la resistenza) diventa maggiore e il flusso di carica è minimo.
Equilibrio (polarizzazione zero)Edit
In una giunzione p-n, senza una tensione esterna applicata, si raggiunge una condizione di equilibrio in cui una differenza di potenziale si forma attraverso la giunzione. Questa differenza di potenziale è chiamata potenziale incorporato V b i {displaystyle V_{rm {bi}}
.
Alla giunzione, gli elettroni liberi nel tipo n sono attratti dai buchi positivi nel tipo p. Essi si diffondono nel tipo p, si combinano con i buchi e si annullano a vicenda. In modo simile, i buchi positivi nel tipo p sono attratti dagli elettroni liberi nel tipo n. I buchi si diffondono nel tipo n, si combinano con gli elettroni liberi e si annullano a vicenda. Gli atomi di drogaggio caricati positivamente, donatori, nel tipo n, fanno parte del cristallo e non possono muoversi. Così, nell’n-type, una regione vicino alla giunzione si carica positivamente. Gli atomi di drogante negativamente caricati, accettori, nel tipo p fanno parte del cristallo e non possono muoversi. Così, nel tipo p, una regione vicino alla giunzione si carica negativamente. Il risultato è una regione vicino alla giunzione che agisce per respingere le cariche mobili lontano dalla giunzione attraverso il campo elettrico che queste regioni cariche creano. Le regioni vicine all’interfaccia p-n perdono la loro neutralità e la maggior parte dei loro portatori mobili, formando la regione di carica spaziale o strato di deplezione (vedi figura A).
Il campo elettrico creato dalla regione di carica spaziale si oppone al processo di diffusione sia per gli elettroni che per i buchi. Ci sono due fenomeni concomitanti: il processo di diffusione che tende a generare più carica spaziale, e il campo elettrico generato dalla carica spaziale che tende a contrastare la diffusione. Il profilo di concentrazione dei portatori all’equilibrio è mostrato nella figura A con linee blu e rosse. Sono mostrati anche i due fenomeni di controbilanciamento che stabiliscono l’equilibrio.
La regione di carica spaziale è una zona con una carica netta fornita dagli ioni fissi (donatori o accettori) che sono stati lasciati scoperti dalla diffusione dei portatori di maggioranza. Quando si raggiunge l’equilibrio, la densità di carica è approssimata dalla funzione di passo visualizzata. Infatti, poiché l’asse y della figura A è in scala logaritmica, la regione è quasi completamente priva di portatori di maggioranza (lasciando una densità di carica pari al livello di drogaggio netto), e il bordo tra la regione di carica spaziale e la regione neutra è abbastanza netto (vedi figura B, grafico Q(x)). La regione di carica spaziale ha la stessa grandezza di carica su entrambi i lati delle interfacce p-n, quindi si estende di più sul lato meno drogato in questo esempio (il lato n nelle figure A e B).
Forward biasEdit
In forward bias, il p-type è collegato con il terminale positivo e l’n-type è collegato con il terminale negativo.
Con una batteria collegata in questo modo, i buchi nella regione di tipo p e gli elettroni nella regione di tipo n sono spinti verso la giunzione e iniziano a neutralizzare la zona di deplezione, riducendone la larghezza. Il potenziale positivo applicato al materiale di tipo p respinge i buchi, mentre il potenziale negativo applicato al materiale di tipo n respinge gli elettroni. Il cambiamento di potenziale tra il lato p e il lato n diminuisce o cambia segno. Con l’aumento della tensione di forward-bias, la zona di deplezione alla fine diventa abbastanza sottile che il campo elettrico della zona non può contrastare il movimento dei portatori di carica attraverso la giunzione p-n, che di conseguenza riduce la resistenza elettrica. Gli elettroni che attraversano la giunzione p-n nel materiale di tipo p (o i buchi che attraversano il materiale di tipo n) diffondono nella vicina regione neutra. La quantità di diffusione minoritaria nelle zone quasi neutre determina la quantità di corrente che può fluire attraverso il diodo.
Solo i portatori maggioritari (elettroni nel materiale di tipo n o fori nel tipo p) possono fluire attraverso un semiconduttore per una lunghezza macroscopica. Con questo in mente, consideriamo il flusso di elettroni attraverso la giunzione. La polarizzazione in avanti causa una forza sugli elettroni che li spinge dal lato N verso il lato P. Con la polarizzazione in avanti, la regione di esaurimento è abbastanza stretta che gli elettroni possono attraversare la giunzione e iniettare nel materiale di tipo p. Tuttavia, essi non continuano a fluire attraverso il materiale di tipo p indefinitamente, perché è energeticamente favorevole per loro ricombinarsi con i buchi. La lunghezza media che un elettrone percorre attraverso il materiale di tipo p prima di ricombinarsi è chiamata lunghezza di diffusione, ed è tipicamente dell’ordine di micrometri.
Anche se gli elettroni penetrano solo una breve distanza nel materiale di tipo p, la corrente elettrica continua ininterrottamente, perché i buchi (i portatori di maggioranza) cominciano a fluire nella direzione opposta. La corrente totale (la somma delle correnti di elettroni e di buchi) è costante nello spazio, perché qualsiasi variazione causerebbe un accumulo di carica nel tempo (questa è la legge della corrente di Kirchhoff). Il flusso di buchi dalla regione di tipo p nella regione di tipo n è esattamente analogo al flusso di elettroni da N a P (elettroni e buchi si scambiano i ruoli e i segni di tutte le correnti e tensioni sono invertiti).
Quindi, il quadro macroscopico del flusso di corrente attraverso il diodo coinvolge gli elettroni che fluiscono attraverso la regione di tipo n verso la giunzione, i buchi che fluiscono attraverso la regione di tipo p nella direzione opposta verso la giunzione, e le due specie di portatori che si ricombinano costantemente nelle vicinanze della giunzione. Gli elettroni e i buchi viaggiano in direzioni opposte, ma hanno anche cariche opposte, quindi la corrente complessiva è nella stessa direzione su entrambi i lati del diodo, come richiesto.
L’equazione del diodo Shockley modella le caratteristiche operative a bias avanti di una giunzione p-n al di fuori della regione a valanga (conduzione a bias inverso).
Bias inversoModifica
Collegare la regione di tipo p al terminale negativo della batteria e la regione di tipo n al terminale positivo corrisponde al bias inverso. Se un diodo è a polarizzazione inversa, la tensione al catodo è relativamente più alta che all’anodo. Pertanto, scorre pochissima corrente finché il diodo non si rompe. Le connessioni sono illustrate nel diagramma adiacente.
Perché il materiale di tipo p è ora collegato al terminale negativo dell’alimentazione, i ‘buchi’ nel materiale di tipo p vengono allontanati dalla giunzione, lasciando dietro di sé ioni carichi e facendo aumentare la larghezza della regione di esaurimento. Allo stesso modo, poiché la regione di tipo n è collegata al terminale positivo, gli elettroni vengono allontanati dalla giunzione, con un effetto simile. Questo aumenta la barriera di tensione causando un’alta resistenza al flusso di portatori di carica, permettendo così alla minima corrente elettrica di attraversare la giunzione p-n. L’aumento della resistenza della giunzione p-n fa sì che la giunzione si comporti come un isolante.
La forza del campo elettrico della zona di esaurimento aumenta all’aumentare della tensione di inversione di polarizzazione. Una volta che l’intensità del campo elettrico aumenta oltre un livello critico, la zona di esaurimento della giunzione p-n si rompe e la corrente inizia a fluire, di solito attraverso il processo di Zener o di rottura a valanga. Entrambi questi processi di rottura non sono distruttivi e sono reversibili, a condizione che la quantità di corrente che scorre non raggiunga livelli tali da causare il surriscaldamento del materiale semiconduttore e causare danni termici.
Questo effetto è utilizzato a vantaggio nei circuiti regolatori a diodi Zener. I diodi Zener hanno una bassa tensione di rottura. Un valore standard per la tensione di rottura è per esempio 5,6 V. Questo significa che la tensione al catodo non può essere più di circa 5,6 V più alta della tensione all’anodo (anche se c’è un leggero aumento con la corrente), perché il diodo si rompe, e quindi conduce, se la tensione diventa più alta. Questo, in effetti, limita la tensione sul diodo.
Un’altra applicazione della polarizzazione inversa sono i diodi Varicap, dove la larghezza della zona di esaurimento (controllata con la tensione di polarizzazione inversa) cambia la capacità del diodo.
