Joncțiunea p-n posedă proprietăți esențiale pentru electronica modernă. Un semiconductor dopat cu p este relativ conductiv. Același lucru este valabil și pentru un semiconductor dopat cu n, dar joncțiunea dintre ele poate deveni sărăcită de purtători de sarcină și, prin urmare, neconductoare, în funcție de tensiunile relative ale celor două regiuni semiconductoare. Prin manipularea acestui strat neconductor, joncțiunile p-n sunt utilizate în mod obișnuit ca diode: elemente de circuit care permit un flux de electricitate într-o direcție, dar nu și în cealaltă direcție (opusă). Polarizarea este aplicarea unei tensiuni pe o joncțiune p-n; polarizarea directă este în direcția unui flux de curent ușor, iar polarizarea inversă este în direcția unui flux de curent mic sau inexistent.
Proprietățile de polarizare directă și de polarizare inversă ale joncțiunii p-n implică faptul că aceasta poate fi utilizată ca o diodă. O diodă de joncțiune p-n permite ca sarcinile electrice să circule într-o direcție, dar nu și în direcția opusă; sarcinile negative (electronii) pot trece cu ușurință prin joncțiune de la n la p, dar nu și de la p la n, iar invers este valabil pentru găuri. Atunci când joncțiunea p-n este polarizată în sens direct, sarcinile electrice circulă liber datorită rezistenței reduse a joncțiunii p-n. Cu toate acestea, atunci când joncțiunea p-n este polarizată invers, bariera joncțiunii (și, prin urmare, rezistența devine mai mare, iar fluxul de sarcină este minim.
Echilibru (polarizare zero)Edit
Într-o joncțiune p-n, fără o tensiune externă aplicată, se atinge o stare de echilibru în care se formează o diferență de potențial de-a lungul joncțiunii. Această diferență de potențial se numește potențial încorporat V b i {\displaystyle V_{\rm {bi}}}.
.
La nivelul joncțiunii, electronii liberi din tipul n sunt atrași de găurile pozitive din tipul p. Aceștia difuzează în tipul p, se combină cu găurile și se anulează reciproc. În mod similar, găurile pozitive din tipul p sunt atrase de electronii liberi din tipul n. Găurile difuzează în tipul n, se combină cu electronii liberi și se anulează reciproc. Atomii dopanți, donatori, încărcați pozitiv, din tipul n fac parte din cristal și nu se pot deplasa. Astfel, în tipul n, o regiune din apropierea joncțiunii devine încărcată pozitiv. Atomii dopanți, acceptori, încărcați negativ din tipul p fac parte din cristal și nu se pot deplasa. Astfel, în tipul p, o regiune din apropierea joncțiunii devine încărcată negativ. Rezultatul este o regiune din apropierea joncțiunii care acționează pentru a respinge sarcinile mobile departe de joncțiune prin câmpul electric pe care aceste regiuni încărcate îl creează. Regiunile din apropierea interfeței p-n își pierd neutralitatea și majoritatea purtătorilor mobili, formând regiunea de sarcină spațială sau stratul de depleție (vezi figura A).
Câmpul electric creat de zona de sarcină spațială se opune procesului de difuzie atât pentru electroni cât și pentru găuri. Există două fenomene concurente: procesul de difuzie care tinde să genereze mai multă sarcină spațială și câmpul electric generat de sarcina spațială care tinde să se opună difuziei. Profilul concentrației de purtători la echilibru este prezentat în figura A cu linii albastre și roșii. De asemenea, sunt reprezentate cele două fenomene de contrabalansare care stabilesc echilibrul.
Regiunea de sarcină spațială este o zonă cu o sarcină netă furnizată de ionii fixați (donatori sau acceptori) care au fost lăsați neacoperiți de difuzia purtătorilor majoritari. Când se atinge echilibrul, densitatea de sarcină este aproximată prin funcția în trepte afișată. De fapt, având în vedere că axa y din figura A este la scară logaritmică, regiunea este aproape complet golită de purtători majoritari (lăsând o densitate de sarcină egală cu nivelul net de dopaj), iar limita dintre regiunea de sarcină spațială și regiunea neutră este destul de accentuată (a se vedea figura B, graficul Q(x)). Regiunea de sarcină spațială are aceeași magnitudine de sarcină pe ambele părți ale interfețelor p-n, astfel încât se extinde mai mult pe partea mai puțin dopată în acest exemplu (partea n în figurile A și B).
Polarizare directăEdit
În polarizare directă, tipul p este conectat cu terminalul pozitiv, iar tipul n este conectat cu terminalul negativ.
Cu o baterie conectată în acest mod, găurile din regiunea de tip p și electronii din regiunea de tip n sunt împinse spre joncțiune și încep să neutralizeze zona de epuizare, reducând lățimea acesteia. Potențialul pozitiv aplicat materialului de tip p respinge găurile, în timp ce potențialul negativ aplicat materialului de tip n respinge electronii. Schimbarea de potențial între partea p și partea n scade sau își schimbă semnul. Odată cu creșterea tensiunii de polarizare directă, zona de epuizare devine în cele din urmă suficient de subțire pentru ca câmpul electric al zonei să nu poată contracara mișcarea purtătorilor de sarcină prin joncțiunea p-n, ceea ce, în consecință, reduce rezistența electrică. Electronii care traversează joncțiunea p-n în materialul de tip p (sau găurile care traversează în materialul de tip n) difuzează în regiunea neutră din apropiere. Cantitatea de difuzie minoritară în zonele neutre apropiate determină cantitatea de curent care poate trece prin diodă.
Doar purtătorii majoritari (electroni în materialul de tip n sau găuri în cel de tip p) pot trece printr-un semiconductor pe o lungime macroscopică. Ținând cont de acest lucru, luați în considerare fluxul de electroni prin joncțiune. Polarizarea directă provoacă o forță asupra electronilor care îi împinge dinspre partea N spre partea P. Cu polarizare directă, regiunea de epuizare este suficient de îngustă pentru ca electronii să poată traversa joncțiunea și să se injecteze în materialul de tip p. Cu toate acestea, ei nu continuă să curgă prin materialul de tip p la nesfârșit, deoarece este favorabil din punct de vedere energetic ca aceștia să se recombine cu găurile. Lungimea medie pe care un electron o parcurge prin materialul de tip p înainte de a se recombina se numește lungime de difuzie și este, de obicei, de ordinul micrometrilor.
Deși electronii pătrund doar pe o distanță scurtă în materialul de tip p, curentul electric continuă neîntrerupt, deoarece găurile (purtătorii majoritari) încep să curgă în direcția opusă. Curentul total (suma curenților de electroni și de găuri) este constant în spațiu, deoarece orice variație ar cauza acumularea de sarcină în timp (aceasta este legea curentului lui Kirchhoff). Fluxul de găuri din regiunea de tip p în regiunea de tip n este exact analog cu fluxul de electroni din N în P (electronii și găurile își schimbă rolurile, iar semnele tuturor curenților și tensiunilor sunt inversate).
În consecință, imaginea macroscopică a fluxului de curent prin diodă implică electroni care circulă prin regiunea de tip n spre joncțiune, găuri care circulă prin regiunea de tip p în direcția opusă spre joncțiune, iar cele două specii de purtători se recombină constant în vecinătatea joncțiunii. Electronii și găurile se deplasează în direcții opuse, dar au și sarcini opuse, astfel încât curentul total este în aceeași direcție pe ambele părți ale diodei, așa cum este necesar.
Ecuația diodei Shockley modelează caracteristicile operaționale cu polarizare directă ale unei joncțiuni p-n în afara regiunii de avalanșă (conductoare cu polarizare inversă).
Polarizare inversăEdit
Conectarea regiunii de tip p la terminalul negativ al bateriei și a regiunii de tip n la terminalul pozitiv corespunde polarizării inverse. Dacă o diodă este polarizată invers, tensiunea la catod este comparativ mai mare decât la anod. Prin urmare, circulă foarte puțin curent până când dioda se strică. Conexiunile sunt ilustrate în diagrama alăturată.
Pentru că materialul de tip p este acum conectat la borna negativă a sursei de alimentare, „găurile” din materialul de tip p sunt îndepărtate de joncțiune, lăsând în urmă ioni încărcați și determinând creșterea lățimii regiunii de epuizare. De asemenea, deoarece regiunea de tip n este conectată la terminalul pozitiv, electronii sunt îndepărtați de la joncțiune, cu un efect similar. Acest lucru mărește bariera de tensiune provocând o rezistență ridicată la fluxul purtătorilor de sarcină, permițând astfel trecerea unui curent electric minim prin joncțiunea p-n. Creșterea rezistenței joncțiunii p-n are ca rezultat faptul că joncțiunea se comportă ca un izolator.
Intensitatea câmpului electric din zona de epuizare crește pe măsură ce crește tensiunea de polarizare inversă. Odată ce intensitatea câmpului electric crește dincolo de un nivel critic, zona de epuizare a joncțiunii p-n se rupe și curentul începe să circule, de obicei prin procesele de rupere Zener sau avalanșă. Ambele procese de rupere nu sunt distructive și sunt reversibile, atâta timp cât cantitatea de curent care circulă nu atinge niveluri care să provoace supraîncălzirea materialului semiconductor și să provoace daune termice.
Acest efect este utilizat în mod avantajos în circuitele de reglare a diodei Zener. Diodele Zener au o tensiune de rupere scăzută. O valoare standard pentru tensiunea de rupere este, de exemplu, 5,6 V. Aceasta înseamnă că tensiunea la catod nu poate fi cu mai mult de aproximativ 5,6 V mai mare decât tensiunea la anod (deși există o ușoară creștere odată cu curentul), deoarece dioda se rupe și, prin urmare, conduce, dacă tensiunea devine mai mare. Acest lucru, de fapt, limitează tensiunea peste diodă.
O altă aplicație a polarizării inverse sunt diodele Varicap, unde lățimea zonei de epuizare (controlată cu tensiunea de polarizare inversă) modifică capacitatea diodei.
.
