annese_realizzazione_giunzione_PN



PREFAZIONE Che cos’è un diodo?

Il diodo è un componente elettronico a due terminali la cui funzione è quella di permettere il flusso di corrente elettrica in un verso e di bloccarla totalmente nell'altro, il che è possibile tramite la condensazione della libertà di movimento e di direzione dei portatori di carica, il quale avviene per mezzo dell’applicazione di alcuni tipi di contatti metallici.

Inoltre, il simbolo circuitale del diodo consiste, come mostrato nella figura di seguito riportata, in un triangolo il cui verso indica la direzione del flusso di corrente elettrica, che va dal polo positivo (denominato Catodo; K) a quello negativo (denominato Anodo; A) mente la sbarra invece, ne indica il blocco.

Simbolo del Diodo

Esempio di Diodo

Che cos’è il diodo a giunzione?

Il diodo a giunzione è un diodo a semiconduttore realizzato utilizzando prevalentemente cristalli di Silicio drogati ad un'estremità (chiamata zona p) con atomi di sostanze il cui stato di valenza è uguale a 3 (Es. III Gruppo) e nell’altra (chiamata zona n) con atomi il cui stato è pari a 5 (Es. V Gruppo). Tra la zona p e la zona n vi è una inoltre una piccola zona di transizione dove il tipo del drogaggio del semiconduttore varia bruscamente, per cui questa area del cristallo viene usualmente definita giunzione p-n.

1

La giunzione PN Come spiegato precedentemente, con il termine giunzione p-n si indica l’interfaccia che separa le parti di un semiconduttore sottoposte a drogaggio di tipo differente.

Di conseguenza, per formare una giunzione PN, è necessario drogare alle due estremità un cristallo di silicio, da una parte con una sostanza trivalente (ad es. il boro; Zona P) e dall’altra con una pentavalente (ad es.il fosforo; zona N).

Al momento della creazione di queste due zone di differente drogaggio, avvengono i seguenti fenomeni: mentre gli elettroni tendono a passare nella regione in cui essi sono minoritari, seguendo il principio di diffusione, le lacune viceversa si spostano verso la regione di tipo n, sempre per lo stesso motivo.

Questa migrazione di portatori liberi lascia scoperta una certa quantità di ioni positivi donori nella regione n e altrettanti ioni negativi accettori nella regione p.

Si avrà quindi un flusso di cariche continuo, che terminerà una volta raggiunto un certo equilibrio nelle due concentrazioni, come verrà spiegato successivamente.

Passaggio per diffusione delle cariche I punti bianchi corrispondo alle lacune, mentre quelli neri agli elettroni. Come è possibile notare, quest’ultimi vanno a riempire le prime formando di conseguenza una regione con prevalenza di cariche negative nello strato P e di cariche positive nello strato N, dovuto appunto all’ assenza di questi elettroni:

2

Pertanto, a seguito di questo spostamento delle cariche, si avrà una situazione di questo tipo:

Questo movimento di elettroni e lacune infatti, darà inizio, vicino al punto di giunzione che risente maggiormente della differenza di concentrazione di carica libera, ad un addensamento di ioni positivi nella zona N e di ioni negativi nella zona P, creando la zona di svuotamento (o regione di carica spaziale; vedi approfondimento) che a sua volta darà origine ad una barriera di potenziale e quindi ad un campo elettrico.

Il campo elettrico creerà così una corrente di elettroni che dalla zona P si sposteranno nella zona N, altrimenti conosciuta come corrente di Drift (dall’inglese “moto”), in quanto nella zona p gli elettroni sono le cariche presenti in minor quantità.

Il campo elettrico venutosi a formare si oppone quindi alla corrente di diffusione favorendo di conseguenza il fenomeno di Drift, che a questo punto aumenterà, al contrario della corrente di diffusione che diminuirà, finché ad un certo punto non si raggiungerà un equilibrio fra le due correnti.

3

In sintesi, per riassumere la giunzione P/N, è possibile utilizzare questo schema:

Approfondimento: La zona di svuotamento La zona di svuotamento o “depletion layer” è una stretta regione attorno alla superficie di separazione della giunzione p – n, in cui non vi sono portatori liberi di carica. Si hanno cioè donori senza i relativi elettroni nella parte n e accettori senza le relative lacune nella parte p. Ne segue che la parte n della zona di svuotamento è elettricamente carica con segno positivo, mentre la parte p è carica negativamente. Questa presenza di cariche non neutralizzate crea una barriera di potenziale crescente secondo il verso di penetrazione della giunzione da P a N.

Esempio dell’andamento di una “barriera di potenziale”.

4

Polarizzazione di una giunzione PN Prefazione La giunzione p-n può essere utilizzata come un diodo grazie alle sue proprietà di conduzione in regime di polarizzazione diretta e polarizzazione inversa. Un diodo a giunzione p-n permette alle cariche elettriche di scorrere in una direzione, ma non in quella opposta. Quando la giunzione p-n è polarizzata direttamente, le cariche elettriche possono scorrere liberamente grazie alla bassa resistenza incontrata nella giunzione mentre quando la giunzione p-n è polarizzata inversamente, la barriera di potenziale alla giunzione (e quindi anche la resistenza) aumenta e il flusso di cariche è minimo.

POLARIZZAZIONE DIRETTA

Quando polarizziamo direttamente una giunzione PN, applichiamo un potenziale alla zona P che è maggiore di quello che applicheremo alla zona N. Questo campo elettrico che applichiamo è contrario a quello formatosi nella zona di svuotamento prodotto dalla corrente di diffusione, quindi quest’ultimo diminuirà facendo diminuire la corrente di Drift e aumentare la corrente di diffusione che è la corrente, come abbiamo gia detto, delle cariche maggioritarie, così la giunzione entra in conduzione. La barriera di potenziale si abbasserà.

Pertanto raggiunta una determinata tensione , detta tensione di soglia, inizierà a scorrere una corrente elevata che cresce in modo esponenziale al crescere della tensione stessa applicata.

POLARIZZAZIONE INVERSA

5

Se si polarizza la giunzione PN inversamente, col polo negativo della batteria collegato alla zona P della giunzione e il polo positivo alla zona N, il campo elettrico nella zona di svuotamento viene rafforzato e quindi la differenza di potenziale localizzata ai capi della zona di svuotamento aumenta, aumentando la Barriera di Potenziale e allargando la zona di svuotamento. Viene pertanto favorita la corrente di drift e quindi il passaggio dei portatori presenti in minor quantità, che danno origine ad una corrente di deriva molto piccola e quasi costante.

Se si raggiungono alti valori di tensione inversa si ha, ad una determinata tensione detta di “breakdown”, un aumento della corrente inversa dovuta a due effetti. Definti “valanga” e “zener” a seconda del tipo di drogaggio effettuato nel semiconduttore.

NOTE Giunzione p-n in corto circuito

Se in entrambi i casi di polarizzazione si pone la tensione (V) uguale a 0 succede che la giunzione va in corto circuito: in questa situazione non vi è passaggio di corrente (I) sarà pari a 0 (eccetto che per un breve periodo transiente durante il quale si raggiunge l'equilibrio) e la tensione rimarrebbe quella di V0.

Giunzione p-n come circuito aperto

Consideriamo ora solo il caso di polarizzazione diretta: se la tensione di polarizzazione diretta V diventasse uguale a 0, cioè V = V0, la barriera di potenziale si annullerebbe e la corrente potrebbe viaggiare attraverso il circuito liberamente aumentando indefinitamente fino alla rottura del diodo. In realtà questo non succede perché la corrente circolante viene limitata da un certo punto in poi dai contatti ohmici ai lati del diodo e dalla resistenza intrinseca del diodo. In tal caso la tensione di polarizzazione applicata non è più relazionata alla corrente presente nel diodo ma è il risultato di componenti come i contatti ohmici ai lati del diodo e della resistenza di massa del diodo. In questo modo il diodo si comporta come se fosse a circuito aperto, diventando assimilabile a un componente lineare.

Capacità parassite del diodo

Come ogni componente elettrico il diodo presenta delle capacità parassite.

Se il diodo è polarizzato direttamente possiamo osservare un'iniezione di lacune dalla zona P alla zona N e un'iniezione di elettroni dalla zona N alla zona P, questa iniezione varia al variare della tensione ed è per questo che abbiamo una prima capacità parassita detta capacita di diffusione. Il secondo fenomeno che possiamo osservare in un diodo polarizzato direttamente è il restringimento della barriera di potenziale all'aumentare della tensione applicata al diodo, anche questo fenomeno provoca una capacità parassita detta capacità di giunzione o di transizione che però è molto minore della capacità di diffusione ed è per questo che viene spesso trascurata.

Utilizzi

La giunzione p-n è alla base di dispositivi a semiconduttore quali il diodo a giunzione, il transistor, il LED e la cella solare.

Le giunzioni p-n sono comunemente usate come diodi. Questo risultato può essere ottenuto incrementando o riducendo l'estensione dello strato non conduttivo (la zona svuotata) grazie agli effetti della polarizzazione inversa e della polarizzazione diretta.

6