Jonctiunea P-N

Jonctiunea P-N

Formarea jonctiunii PN

Doua blocuri distincte de material semiconductor

Daca un bloc de material semiconductor de tip P este adus in contact cu un bloc de material semiconductor de tip N (figura alaturata), rezultatul este nesatisfacator. Vom avea doua blocuri conductoare aflate in contact unul cu celalalt, dar fara proprietati unice. Problema consta in existenta a doua corpuri cristaline distincte si separate. Numarul de electroni este echilibrat de numarul de goluri in ambele blocuri. Astfel, niciunul dintre cele doua blocuri nu are o sarcina neta.

Utilizarea unui singur cristal semiconductor

Totusi, daca un singur cristal semiconductor este confectionat (dopat) cu un material de tip P la un capat, si un material de tip N la celalalt capat, combinatia respectiva prezinta unele proprietati unice. In materialul de tip P, majoritatea purtatorilor de sarcina sunt goluri, acestia putandu-se deplasa liberi prin structura cristalului. In materialul de tip N majoritatea purtatorilor de sarcina sunt electroni, si acestia putandu-se deplasa liberi prin structura cristalului. In jurul jonctiunii insa (intersectia dintre cele doua tipuri de materiale), electronii materialului N trec peste jonctiune si se combina cu golurile din materialul P (figura alaturata). Regiunea materialului P din apropierea jonctiunii capata o sarcina negativa datorita electronilor atrasi, iar regiunea materialului N din apropierea jonctiunii capata o sarcina pozitiva datorita electronilor cedati. Stratul subtire al acestei structuri cristaline, dintre cele doua sarcini de semne contrare, va fi "golit" de majoritatea purtatorilor de sarcina, prin urmare, acesta este cunoscuta sub numele de zona de golire, si devine un material semiconductor pur, non-conductor. De fapt, aproape ca avem un material izolator ce separa cele doua regiuni conductive P si N.

Bariera de potential

Aceasta separare de sarcini in jurul jonctiunii P-N (zona de golire) constituie in fapt o bariera de potential. Aceasta bariera de potential trebuie sa fie "invinsa" de o sursa de tensiune externa pentru a se putea comporta precum un material conductor. Formarea jonctiunii si a barierei de potential are loc in timpul procesului de fabricatie. "Inaltimea" barierei de potential depinde de materialele folosite pentru fabricarea acestuia. Jonctiunile PN din siliciu au o bariera de potential mai ridicata decat jonctiunile fabricate din germaniu.

Polarizarea directa a jonctiunii PN

In figura alaturata , bateria este pozitionata astfel incat electronii sa se deplaseze dinspre terminalul negativ inspre materialul de tip N. Acesti electroni se aduna in jurul jonctiunii. Terminalul pozitiv inlatura electronii din materialul semiconductor de tip P, ceea ce duce la crearea golurilor ce se indreapta si ele spre jonctiune. Daca tensiunea bateriei este suficient de mare pentru a depasi potentialul jonctiunii (0,6 V in cazul siliciului), electronii materialului N si golurile materialului P se combina si se anihileaza reciproc. Acest lucru duce la crearea unui spatiu liber in structura materialului ce poate sustine o deplasare si mai mare de purtatori de sarcina spre jonctiune. Astfel, curentii purtatorilor de sarcina majoritari de tip N (electroni) si de tip P (goluri) se deplaseaza inspre jonctiune. Recombinarea ce are loc la jonctiune permite curentului bateriei sa se "deplaseze" prin jonctiunea PN a unei astfel de diode. In acest caz, spunem ca o astfel de jonctiune este polarizata direct.

Polarizarea inversa a jonctiunii PN

Daca polaritatea bateriei este inversata (figura alaturata), majoritatea purtatorilor de sarcina vor fi atrasi dinspre jonctiune spre terminalii bateriei. Terminalul pozitiv al bateriei atrage purtatorii de sarcina majoritari (electronii) ai materialului N, iar terminalu negativ al bateriei atrage purtatorii de sarcina majoritari (golurile) ai materialului P. Acest fapt duce la cresterea grosimii zonei de golire non-conductive. Nu are loc nicio recombinare a purtatorilor de sarcina, prin urmare, nu are loc nicio conductie. In acest caz, spunem ca jonctiunea PN este polarizata invers.

Ceea ce am creat mai sus prin doparea aceluiasi cristal atat cu material de tip N cat si cu material de tip P, este o dioda.

3.2.6. Dioda

Definitia si simbolul diodei

Dupa cum am precizat si in sectiunea precedenta, dioda este realizata prin introducerea de impuritati de tip N si P in acelasi cristal semiconductor. Simbolul schematic al diodei este prezentat in figura alaturata (b), si corespunde semiconductorului dopat de la (a). Dioda este un dispozitiv unidirectional (vezi jonctiunea PN). Deplasarea electronilor se poate realiza doar intr-o singura directie, invers fata de directia sagetii, atunci cand dioda (jonctiunea PN) este polarizata direct. Catodul, din reprezentarea diodei, reprezinta semiconductorului de tip N, iar anodul corespunde materialului dopat de tip P.

Polarizarea directa a diodei

Daca dioda este polarizata direct, curentul creste foarte putin pe masura ce tensiune creste de la 0 V. In cazul in care materialul semiconductor din care este confectionata dioda este siliciu, curentul incepe sa creasca doar dupa ce tensiunea atinge valoarea de 0,6 V. Daca tensiunea creste peste valoarea de 0,6 V, valoarea curentului creste foarte rapid. O tensiune peste 0,7 V poate foarte usor sa duca la distrugerea diodei. Aceasta tensiune de "deschidere" a diodei in jurul valorii de 0,6 V, poarta numele de tensiune de polarizare directa a diodei. Sub aceasta valoare, dioda este "inchisa", si nu exista curent pe la bornele acesteia. Desi pentru siliciu tensiunea de polarizare directa este de 0,6-0,7 V, pentru germaniu aceasta este de 0,3 V, iar pentru LED-uri de cativa volti. Curentul ce strabate dioda la polarizarea directa poarta numele de curent direct, iar acesta poate lua valori cuprinse intre cativa mA, pana la sute sau mii de amperi pentru diodele de putere.

Polarizarea inversa a diodei

Daca dioda este polarizata invers, curentul invers va avea o valoarea foarte mica, care in conditiile cele mai extreme poate ajunge la un maxim de 1 µA (figura de mai sus, stanga). Valoarea acestui curent nu creste semnificativ odata cu cresterea tensiunii de polarizare inversa, decat la atingerea punctului de strapungere. Cand punctul de strapungere este atins, curentul prin dioda creste la o valoare atat de mare, incat poate duce la distrugerea diodei daca nu exista un rezistor serie pentru limitarea curentului prin dioda. De obicei se alege o dioda a carei tensiune de strapungere este mai mare decat valoarea tensiunilor aplicate la bornele sale. Diodele din siliciu au de obicei tensiuni de strapungere de la 50, 100, 200, 400, 800 V sau chiar mai mare.

Curentul de dispersie

Am mentionat mai sus ca exista un curent de dispersie de sub un µA, pentru diodele de siliciu, la polarizarea inversa. Explicatia consta in faptul ca energia termica produce cateva perechi de electroni-gauri, ce duc la aparitia unui curent de dispersie pana la recombinare. Practic, acest curent previzibil este doar o parte a curentului de dispersie total. O mare parte a acestui curent se datoreaza conductiei de suprafata datorita impuritatilor de la suprafata conductorului. Ambele tipuri de curenti de dispersie cresc odata cu cresterea temperaturii. In cazul germaniului, curentul de dispersie este de cateva ori mai mare decat in cazul siliciului.

Dioda cu jonctiune

Desi la inceput, cea mai folosita dioda a fost dioda cu contact punctiform (figura alaturata (a)), majoritatea diodelor folosite astazi sunt diode cu jonctiune (figura alaturata (b)). Desi jonctiunea PN din figura este putin mai complexa decat o jonctiune normala, aceasta este tot o jonctiune PN. Pornind de la catod, N⁺ indica faptul ca aceasta regiune este dopata puternic, si nu are legatura cu polaritatea. Acest lucru reduce rezistenta serie a diodei. Regiunea N^- din nou, nu are nicio legatura cu polaritatea, ci indica faptul ca aceasta regiune este mai putin dopata, ceea ce duce la o dioda a carei tensiune de strapungere inversa este mult mai mare, lucru important pentru diodele de putere folosite in redresare.

Observatii

Diodele de puteri mai mici, chiar si redresoarele de putere de tensiuni mai mici, vor avea pierderi de polarizare directa mult mai mici datorita dopajului mai puternic. Cel mai mare nivel de dopaj este folosit pentru diodele Zener, proiectate pentru tensiuni de strapungeri mici. Totusi, un dopaj puternic duce la cresterea curentului invers de dispersie. Regiunea P⁺ de la anod, reprezinta un material semiconductor, puternic dopat, de tip P, o foarte buna strategie pentru realizarea contactului. Diodele de jonctiune mici, incapsulate in sticla, pot conduce curenti de ordinul zecilor sau sutelor de mA. Diodele de putere redresoare, incapsulate in plastic sau ceramica, pot conduce curenti de ordinul miilor de amperi.