CARACTERISTICA STATICA A DIODEI SEMICONDUCTOARE

CARACTERISTICA STATICA A DIODEI SEMICONDUCTOARE

1. CONDUCTIA ELECTRICA IN SEMICONDUCTOARE

Semiconductoarele ocupa o pozitie intermediara, din punct de vedere al conductivitatii electrice, intre materialele conductoare (metale) si materialele dielectrice (izolatoare). Daca la metale exista o singura categorie de purtatori de sarcina, electronii, la semiconductoare curentul electric de conductie este generat de doua categorii de purtatori de sarcina: electroni si goluri.

Dupa modul de generare a purtatorilor, semiconductoarele pot fi de conductie intrinseca si de conductie extrinseca. Un semiconductor de conductibilitate intrinseca este un material pur, din punct de vedere chimic. In constructia dispozitivelor semiconductoare cele mai utilizate materiale semiconductoare sunt siliciul (Si) si germaniul (Ge).

Daca semiconductorul nu primeste energie din exterior, toti electronii de valenta raman in legaturi covalente si materialul se comporta ca un dielectric.

Cand un electron de valenta primeste energie din exterior, mai mare decat inaltimea zonei interzise, el poate rupe legatura covalenta devenind electron liber. Legatura nesatisfacuta corespunde unei sarcini pozitive, numita gol. Atunci cand un electron paraseste atomul, devenind electron liber, are loc generarea unei perechi electron‑gol. Intr‑un semiconductor de conductibilitate intrinseca are loc un proces continuu de generare a perechilor electron‑gol. Simultan se produc si recombinari electron‑gol, rezultand atomi neutri. Rezulta pentru un semiconductor intrinsec ca conductibilitatea sa electrica este apropiata de cea a unui material izolator.

Daca semiconductorul este impurificat cu mici adaosuri, are loc modificarea conductivitatii. Daca este dopat cu impuritati pentavalente (stibiu, arsen etc.), atomii de impuritati cedeaza cu usurinta cate un electron, care devine electron liber. Chiar si in concentratii foarte mici, impuritatile produc o marire considerabila a numarului de purtatori negativi, care sunt in acest caz purtatori majoritari. Semiconductoarele cu purtatori majoritari negativi se numesc semiconductoare de tip n.

Cand semiconductorul este dopat cu impuritati trivalente (indiu, aluminiu etc.), atomii impuritatilor capteaza cate un electron, provenind de la atomii vecini din semiconductor, conducand la aparitia de goluri. In acest semiconductor, golurile sunt purtatori majoritari, iar electronii sunt purtatori minoritari. Semiconductoarele cu purtatori majoritari pozitivi se numesc semiconductoare de tip p.

Notand cu n si p concentratiile electronilor liberi, respectiv a golurilor, se poate arata ca la echilibru termic exista relatia: n_p =n_i² , unde n_i este concentratia purtatorilor (goluri sau electroni) la un semiconductor intrinsec.

2. JONCTIUNEA p-n

Portiunea dintr‑un semiconductor in care se realizeaza trecerea, pe o distanta foarte mica, de la o zona de conductie de tip n la o zona de conductie de tip p, se numeste jonctiune p-n.

Majoritatea dispozitivelor semiconductoare au cel putin o jonctiune p-n. In cazul cel mai simplu, jonctiunea p-n poate fi utilizata la realizarea diodelor semiconductoare.

In vecinatatea suprafetei de separatie a zonelor p si n exista o variatie puternica a concentratiei purtatorilor majoritari, ce determina difuzia purtatorilor majoritari dintr‑o zona in alta, din zona cu concentratie ridicata spre zona cu concentratie mica.

Ca urmare, sarcina ionilor imobili ai impuritatilor ramane necompensata, determinand aparitia, in vecinatatea suprafetei de separatie, a unei sarcini spatiale fixate in reteaua cristalina.

Regiunea in care apare sarcina spatiala se numeste regiune de trecere. Celelalte doua zone, fara sarcina spatiala, se numesc regiuni neutre. Sarcina spatiala determina aparitia unui camp electric intern al regiunii de trecere, care se opune difuziei purtatorilor majoritari.

Se constata aparitia unei bariere de potential in regiunea de trecere, care se opune difuziei purtatorilor majoritari. Exista totusi un curent de difuzie, produs de acei purtatori majoritari care au o energie suficient de mare pentru a invinge bariera de potential U₀ din regiunea de trecere:    i_d=i_pM+i_nM.

Campul intern al jonctiunii antreneaza dintr‑o zona in alta purtatorii minoritari, formand un curent de conductie i_c=i_pm+i_nm.

In regimul de echilibru termic al unei jonctiuni nepolarizate, curentul de difuzie este egal si de sens contrar cu curentul de conductie i_c , astfel incat curentul rezultat prin jonctiune este nul.

Figura 2.1. Jonctiunea p-n

2.3. JONCTIUNEA p-n POLARIZATA DIRECT

O tensiune electrica U_a aplicata cu plus la zona p si cu minus la zona n, determina aparitia unui camp electric de sens opus campului electric intern, astfel incat bariera de potential scade de la valoarea U₀ la valoarea U₀‑U_a.

Curentul prin jonctiune este practic egal cu curentul de difuzie, format din purtatori majoritari, reprezentand curentul direct al jonctiunii.

2.4. JONCTIUNEA p-n POLARIZATA INVERS

Daca tensiunea aplicata U_a < 0, campul electric extern are acelasi sens cu campul electric intern, astfel incat bariera de potential creste.

Curentul de difuzie scade practic la zero, iar prin jonctiune va circula curentul de purtatori minoritari i_c, care este foarte mic si reprezinta curentul invers al jonctiunii.

3. CARACTERISTICA STATICA A JONCTIUNII p-n

Prin analogie cu dioda cu vid (tub electronic), electrodul care are potential pozitiv in timpul conductiei directe se numeste anod, iar celalalt se numeste catod.

Caracteristica statica a diodei semiconductoare reprezinta dependenta curentului prin dioda de tensiune dintre anod si catod. Caracteristica este figurata in figura 3.2 cu observatia ca s-au adoptat scari diferite in semiaxele abscisei si ordonatei.

Pentru tensiuni U_a >0, corespunzand polarizarii directe, se obtine caracteristica din cadranul unu. Tensiunea directa are valori foarte mici ( 0.2‑0.5 V la diodele cu Ge si 0.6‑0.9 V la diodele cu Si) iar curentul direct poate avea valori foarte mari.

Pentru tensiuni U_a <0, corespunzand polarizarii inverse, se obtine caracteristica din cadranul trei.

Tensiunile aplicate diodei pot avea valori mari, insa curentul prin dioda este practic constant si foarte mic pana la atingerea valorii de strapungere U_str., datorita multiplicarii in avalansa a purtatorilor de sarcina. Curentul invers al jonctiunii se numeste curent de saturatie si este constant, depinzand de concentratiile purtatorilor minoritari din cele doua zone.

Expresia analitica a caracteristicii diodei este de forma:

, in care U_a ‑ tensiunea aplicata la borne , e ‑ sarcina electronului, T‑ temperatura ( K), k‑ constanta lui Boltzmann.

Factorul kT/e are dimensiune de volti si se numeste tensiune termica V_t. Pentru temperatura T=300 K se obtine V_t = 26mV.

Dintre parametrii externi, temperatura influenteaza cel mai mult curentul prin dioda, in sensul cresterii acestuia, atat la polarizarea directa, cat mai ales la polarizarea inversa.

4. SCHEMA ECHIVALENTA, DE SEMNAL MIC, A DIODEI SEMICONDUCTOARE

Daca tensiunea anodica are variatii de joasa frecventa, mici in comparatie cu tensiunea termica V_t, comportarea diodei este descrisa de rezistenta interna a diodei, definita de ecuatia:

R_i=V_t/(I_s+i_a0) pentru u_a0 = constant.

Daca variatia tensiunii la bornele diodei este de frecventa ridicata, curentul prin dioda este determinat si de capacitatile proprii ale jonctiunii p-n: capacitatea de bariera C_b si capacitatea de difuzie C_d.

Capacitatea de bariera corespunde sarcinii spatiale acumulate in regiunea de trecere si depinde de tensiunea anodica aplicata, dupa relatia: , unde n este un coeficient care depinde de profilul doparii si C_b0 este capacitatea de bariera la jonctiunea nepolarizata.

Capacitatea de difuzie corespunde efectului acumularii de sarcina, datorita procesului de difuzie a purtatorilor minoritari in regiunile neutre ale jonctiunii. Capacitatea de difuzie are legea de variatie: .

La polarizarea in sens direct, rezistenta R_i a diodei este foarte mica astfel incat efectul capacitatilor C_b si C_d poate fi neglijat. La polarizarea inversa a diodei, rezistenta R_i este mare, deci capacitatea jonctiunii, egala practic cu C_b, are un efect de suntare, care nu poate fi neglijat.

5. APARATE NECESARE

‑ panou experimental, sursa stabilizata de tensiune 0‑30V;

‑ voltmetru electronic de c.c., miliampermetru;

‑ conductoare cu banane la ambele capete pentru legaturi electrice.

6. DESCRIEREA PANOULUI EXPERIMENTAL

Panoul contine doua diode, una cu siliciu si una cu germaniu, si un set de rezistoare cu valori cuprinse intre 30 ohmi si 10 megaohmi. Cu ajutorul rezistoarelor se poate selecta curentul de la valori foarte mici pana la valori mari (valoarea maxima este aproximativ de 0,6A ).

7. DESFASURAREA LUCRARII

7.1. Se executa, cu ajutorul conductoarelor cu banane la ambele capete, legaturile electrice conform schemelor electrice din figurile 7.1 sau 7.2 (daca panoul experimental are sursa inclusa). Se va efectua mai intai legatura 3‑4 pentru dioda cu siliciu.

7.2. Se conecteaza in circuit rezistorul de 10 Mohmi si, variind tensiunea de alimentare de la 0 V la 30 V se regleaza curentul prin dioda la prima valoare din tabelul 1. Se citeste tensiunea pe dioda, cu voltmetrul electronic conectat la bornele 1‑2, si se trece valoarea masurata in tabel. Valorile urmatoare se obtin prin cresterea tensiunii. Daca s‑a ajuns la valoarea maxima, se aduce la zero tensiunea sursei, dupa care se comuta pe rezistorul cu valoare mai mica. In tabelul 1 se impun valorile Id pentru axa logaritmica natural. Valorile Id din tabel se reprezinta la distante egale pe axa logaritmica ln(I_a). Portiunea exponentiala din caracteristica diodei in coordonate I_a‑U_d devine liniara in coordonatele ln(I_a)-U_d.

Tabelul 1. Valorile Id pentru axa logaritmica pentru caracteristica diodei ln(I_a)-U_d.

7.3. Se reprezinta grafic caracteristica diodei cu siliciu in coordonate I_a‑U_d si ln(I_a)-U_d.

7.4. Se desface legatura 3‑4 si se executa legatura 4‑5. Se efectueaza punctele 7.2, 7.3 pentru a ridica caracteristica diodei cu germaniu, completand un tabel identic cu tabelul 1.

Figura 7.2. Schema unei variante a montajului experimental pentru ridicarea caracteristicii statice a diodei

8. BIBLIOGRAFIE

8.1. Ceanga E., s.a.‑ Electronica industriala. E.D.P. Bucuresti,1981.

8.2. Ceanga E., s.a.‑ Indrumar de laborator pentru electronica. Universitatea din Galati,1978.

8.3. Aiordachioaie D., s.a. - Electronica. Indrumar de laborator. Universitatea din Galati,1994.

8.4. Iliev Mircea, Popa Rustem, Iliev Voichita-Marcela - Dispozitive si circuite electronice - partea

I-a. Editura Fundatiei Universitare "Dunarea de Jos", Galati, 2001.