Giunzione pn

La diode a semiconduttore è un elemento circuitale a 2 terminali composta da 2 regioni :

-una è un semiconduttore estrinseco di tipo p o anodo

-l’altra è un semiconduttore estrinseco di tipo n o catodo . La superficia che separa i due semiconduttori è detta giunzione pn.

La diffusione

Un fenomeno per cui i portatori liberi tendono a muoversi dalla zona con concentrazione piu alta verso quella con concentrazione piu bassa cioe dall’anodo verso la catodo.cosi si crea una corrente di diffusione. Nelle vicinanze della giunzione si crea una zona svuotata di portatori lberi quindi carica (per la presenza degli atomi di impurita ionizzati) chiamata carica spaziale o regione di svuotamento.A questo spazio è associato un campo elettrico dalla catodo verso l’anodo.Tra le regioni n e p esiste allora un potenziale chiamato potenziale di giunzione.

Φj = Vt* ln(Na*Ndni^2)

Questo potenziale di giunzione crea una bariera che impedisce l’ulteriore diffusioni degli portatori liberi dando luogo a una corrente di deriva che controbilancia quella di diffusione. All’equilibrio dinamico fra le due correnti si ha: q*µn*n*Ex=-q*Dn*dn/dx

q*µp*p*Ex=q*Dp*dp/dx

Polarizazzione diretta.

Aplicando una tensione esterna che renda piu positivo l’anodo rispetto al catodo,si diminuisce la bariera di potenziale alla giunzione.

Polarizazzione inversa.

Aplicando una tensione esterna che renda piu positivo il catodo rispetto all’anodo,si aumenta la bariera di potenziale alla giunzione . La modifica della bariera di potenziale modifica le condizioni di equilibrio e provoca un flusso di corrente ai terminali.

In polarisazione inversa diodo spento (off) Vd<0 La caraterristica id-Vd non è lineare. Equazione del diodo--id=Is (exp(Vd/(n*Vt))-1) N parametre adimensionale –Faattore di idealita--spesso=1 .La corrente e molto piccola ed è vicino a is---corrente di saturazione inversa di soglia

In polarisazione diretta diodo in posizione on—Vd>0 La caraterristica id-Vd non è lineare. Equazione del diodo--id=Is *exp(Vd/Vt) La corrente cresce molto velocemente per Vd>Von---Tensione di soglia.

In un circuto con la presenza di un diodo,la coppia (Id,Vd) soddisfa l’equazione di diodo (polarisazione) E quella del circuto.

Diodo di Zener

E  un diodo fabricato per funzionare in regione  di rottura.

Rottura del diodo in polarizzazione inversa.

Quando siamo  Vd <o  raggiunge la tensione Vz detta tensione di rottura,il diodoentra in regione di rottura inversa dove la corrente inversa  cresce velocemente mentre la tensione rimane quasi costante.

Mecanismi di rottura.

-Moltiplicazione a valanga

Provocato dalle collisioni nella zona di svuotamento fra i portatori liberi accelerati dal campo elettrico e gli atomi fissi del reticolo cristalino.

-Effetto Zener

Il fatto del passaggio diretto dei portatori dalla zona di valenza alla zona di conduzione dovuto alla grande intensita del campo elettrico.

Modello del diodo in regione di rottura.

Un generatore di tenzione di tenzione Vz in serie con una resistanza di valore piccolo Rz.

Diodo come foto rilevatore—fotodiodo

Illuminando con una radiazione di frequenza  ν=c/λ >Eg/h

h—costante di Planck

la zona di svuotamento in polarisazzione inverssa,la formazione di coppie(lacune ,elettroni) da luogo a una corrente Iph che si sovrappone alla corrente inversa che esiste sanza radiazioni(corrente al buio) di intensita proporzionale  all’ampiezza della radiazione incidente.

Diodi emmettitori di luce.

In polarisazione  diretta, se l’intensita di corrente è abastanza elevata ,la ricombinazione di cariche da luogo a una produzione di  energia. Nei semiconduttori composti GaAs,l’energia puo essere emmessa  come radiazioni

Semiconduttori

I materiali semiconduttori sono quelli con la resistivita compresa tra 10-3 et 10+5.

Il modello a legame  covalente è una rapresentation del materale in 2 dimensione dove ogni atomo  si impegna con 4 elettroni dell’orbita piu estrema per formare un legame covalente con gli atomi piu vicini.

La temperatura alta puo provocare la rottura di legami covalenti provocando coppie  [lacune (di carica +q) -- elettroni )di carica –q)]

La densenti  di lacune p = la densita di elettroni  n=ni concentrazione intrinseca.

(Ni)^2= BT^3 exp(-(Eg)/KT)

Eg—energia necessaria per rompere legame

K—parametre del materiale

B—costante di boltzmann

T—temperatura assoluta

Mobilita  µ

Cariche mobili create sotto effetto termico acquistano velocita  di deriva se sottoposte ad un campo elettrico non troppo intenso E.

Vp= µp*E

Ve= µe*E

Dalle velocitadi drva nascono le corente de deriva di densita proporzionale al campo elettrico.

Je= (-q)*n*Ve

Jp= q*p*Vp

Si ha :  σ=q(µe*n+ µp*p)   --conducibilita ==  rapporto fra somma densita di corrente di deriva  e il campo.

Il silicio si trova al l’estremo inferioire di un isolante

Il drogaggio

Un processo che consente di aumentare la conducibilita di un materiale. Ne esitono di 2 tipi:

1. Si sostituisce qualche atomo di silicio nel reticolo cristalino con un elemento della quinta colona (fosforo) . Li si vede gia che  a temperatura assoluta ,un eletrone non trova lacuna per fare un legame covalente.Lui divento elettrone di conduzione. Il semiconduttore ottiene  tanti elettroni di conduzione. E  detto droggato o estrinseco di tipo n.

Gli atomi droganti (il fosforo) sono detti  impurita  di tipo donatore.

2.   Si sostituisce qualche atomo di silicio nel reticolo cristalino con un elemento della terza colona (boro) . Li si vede gia che  a temperatura assoluta ,un legame covalente fra un atomo di boro e uno di silicio non puo esitere e questo vuoto creato si chiama lacuna  disponibile per conduzione. Il semiconduttore ottiene  tante lacune disponibile conduzione. E  detto droggato o estrinseco di tipo p.

Gli atomi droganti (boro) sono detti  impurita  di tipo accetatore.

1. Il drogegio misto di tipo n (piu attomi donatori) e quello misto di tipo p ( piu atomi accettori)

In un semiconduttore drogato di tipo n,la concentrazione di eletroni  liberi è uguale a Nd numero degli atomi  donatori e è molto maggiore della concentrazione intrinseca. N=Nd>>ni

Gli eletroni  provenienti dalle impurita  del drogaggio sono detti portatori maggioritari e le lacune generate termicamente sono detti portatori minoritari.

In un semiconduttore drogato di tipo p,la concentrazione delle lacune  è uguale a Na numero degli atomi  accettori ed  è molto maggiore della concentrazione intrinseca. p=Na>>ni

Le lacune  provenienti  dalle impurita  del drogaggio sono dette portatori maggioritari e gli elettroni generati  termicamente sono detti portatori minoritari.

Legge di azione di massa.

A l’equilibrio termodinamico  si ha  n*p=ni^2

Nel droggagio misto vale  (Nd*q- n*q)+(p*q-Na*q)=0

Modello di banda di energia

È un diagramo de l’energia di semicondutore costituito da tre bande:

-quella piu in basso piena di elettroni—banda di valenza

-quella in mezzo non permessa –banda proibita

-quella in alto vuota-banda di conduzione.

Questo modello permette di classificcare i materiali.

Piu c’è conduzione,piu la banda proibita e picolla.

Ec-Ev=Eg  ampiezza della banda proibita

Interpretazioni

-Creazione coppia elettrone-lacuna –energia termica fornita al cristallo supera Eg.

-in un semiconduttore estrinseco di tipo n,la creazione di elettroni introduce un ulteriore livello di energia Ed dentro la zona proibita vicino a Ec.A temperatura ambiente,l’energia termica supera Ec-Ed e quindi tuti gli elettroni lieri passano nella zona di conduzione.

-in un semiconduttore estrinseco di tipo p,la creazione di lacune introduce un ulteriore livello di energia Ea dentro la zona proibita vicino a Ev.A temperatura ambiente,l’energia termica supera Ea-Ev e quindi tutti legami covalenti non soddisfatti  delli atomi accettori vengono riempiti dagli elettroni della banda di valenza.

-Probabilita di occupare il livello di energia Ef = 1/(1+exp((E-Ef)/KT)

Nei conduttori  estrinseci,all’aumentare del drogaggio, la conducibilita aumenta mentre diminuisce la mobilita contemporaneamente.

Ugualmente all’aumentare del drogaggio la resistivita diminuisce.

Corrente di diffusione.

In presenza di un gradiente di concentrazione (dp/dx e dn/dx)

J= -q* Dn * dn/dx

J= q * Dp * dp/dx

D – diffusivita della lacuna

Legge di einstein

Dp/µp=Dn/µn=kt/q=V