DIODA SEMICONDUCTOARE. CARACTERISTICA STATICA

I. ASPECTE TEORETICE

Semiconductorii sunt materiale a caror conductivitate electrica este cuprinsa intre , deci sunt plasati din punct de vedere electric, intre conductori si izolatori. Conductivitatea lor electrica creste in raport cu temperatura si este puternic influentata de defectele existente in structura retelei cristaline.

Conform teoriilor cuantice bazate pe existenta benzilor de energie, impartirea materialelor in conductori, semiconductori si izolatori este discutata dupa pozitia nivelului Fermi si distanta dintre banda de valenta si banda de conductie (fig. 1).

Figura 1

In functie de existenta sau nu a impuritatilor, semiconductorii se impart in: - semiconductori fara impuritati denumiti si semiconductori intrinseci si semiconductori cu impuritati denumiti si semiconductori extrinseci.

Intr-un semiconductor intrinsec apar doua feluri de purtatori de sarcina care dau nastere curentului de conductie si anume: electronii deveniti liberi, ce se misca dirijat in sens invers liniilor de forta ale campului electric exterior si golurile ce se misca dirijat in sensul liniilor de forta ale campului electric.

Din punct de vedere energetic, procesul are loc conform figurii 2.

Figura 2

- se numeste "energie de activare". In urma saltului energetic, efectuat de electronii ce se afla pe nivelele energetice superioare ale benzii de valenta raman goluri pozitive in banda de conductie care tind sa fie ocupate de catre electronii de pe nivelele inferioare.

Aceasta duce la deplasarea golurilor din cadrul benzii de valenta de la nivelele superioare spre cele inferioare.

Electronii ajunsi in banda de conductie constituie curentul electric in semiconductor, daca semiconductorului i se aplica un camp electric.

In cazul semiconductorilor extrinseci apar doua situatii:

- atomii de impuritate au un numar de electroni de valenta mai mare ca atomul de baza (element tetravalent).

Din punct de vedere energetic procesul are loc conform figurii 3

Figura 3

Totul apare ca si cum in banda interzisa exista un nou nivel energetic permis, numit nivel aditional, plasat foarte aproape de banda de conductie deoarece energia de activare a atomului de impuritate este mult mai mica decat cea corespunzatoare cristalului de baza.

Electronii de valenta si atomul de impuritate trec cu usurinta in banda de conductie devenind electroni liberi de conductie.

Deci conductia electrica la semiconductorul cu impuritati este de natura electronica.

- Atomii de impuritate au un numar de electroni de valenta mai mic decat al atomului de baza.

Din punct de vedere energetic procesul are loc conform figurii 4.

Figura 4

Prin trecerea unui electron din banda de valenta pe nivelul aditional acceptor, in banda de valenta apare un gol care fiind compensat electric de electronii de pe nivelele inferioare ale benzii de valenta, face ca acesta sa migreze in cadrul retelei, constituind un purtator de sarcina pozitiva liber ce poate intretine un curent sub actiunea unui camp electric exterior.

Deci conductia electrica la semiconductorul cu impuritati acceptoare este o conductie prin goluri.

Jonctiunea reprezinta un cristal semiconductor format din doua regiuni:

o regiune dotata cu impuritati acceptoare, deci de tip p;

o regiune dotata cu impuritati donoare.

In regiunea golurile sunt purtatorii majoritari, iar electronii sunt purtatorii minoritari, concentratia golurilor fiind mult mai mare in comparatie cu concentratia electronilor. In regiunea concentratia electronilor este mult mai mare fata de concentratia golurilor.

Datorita concentratiei neuniforme in zona jonctiunii apare fenomenul de difuzie a purtatorilor de sarcina:

golurile din regiunea vor difuza in regiunea n;

electronii din vor difuza in

In regiunea va apare o sarcina electrica spatiala negativa, iar in regiunea se formeaza o sarcina spatiala pozitiva.

In vecinatatea suprafetei de separare se formeaza astfel doua straturi cu sarcini electrice egale si de semn contrar; aceasta regiune in care apare sarcina spatiala se numeste regiune de trecere.

In regiunea de trecere, datorita sarcinii spatiale, apare un camp electric indreptat dinspre regiunea spre regiunea , care deriva dintr-un potential electric care are o variatie continua. Variatia potentialului reprezinta o bariera de potential. Campul electric din regiunea de trecere determina aparitia unor curenti de camp.

Figura 5

La echilibru termic, curentii de difuzie sunt egali cu curentii de camp, ceea ce face ca, curentul rezultant prin jonctiune sa fie nul. In afara regiunii de trecere campul electric este nul, iar potentialul are o valoare constanta (figura 5).

Aplicand o tensiune de polarizare din exterior, intreaga tensiune aplicata se regaseste de-a lungul regiunii de trecere, micsorand bariera de potential in cazul polarizarii directe (figura 5, b) sau marind bariera de potential in cazul polarizarii inverse (figura 5, c). Modificarea barierei de potential determina stricarea echilibrului dintre curentii de    difuzie si de camp.

Curentii de difuzie sunt curentii de purtatori majoritari, care au energie suficienta sa invinga bariera de potential si sa ajunga astfel in regiunea de trecere pe care o traverseaza, ajungand apoi in regiunea opusa, unde se transforma in purtatori minoritari. Curentii de difuzie sunt curentii de purtatori majoritari, care au energie suficienta sa invinga bariera de potential si sa ajunga astfel in regiunea de trecere pe care o traverseaza, ajungand apoi in regiunea opusa, unde se transforma in purtatori minoritari.

Curentii de difuzie sunt: curentul de difuzie de goluri majoritare si curentul de difuzie de electronii majoritari

Curentii de camp sunt curenti de purtatori minoritari care datorita agitatiei termice, patrund in regiunea de trecere sub actiunea campului electric ajung in regiunile opuse, unde devin purtatori majoritari.

Curentii de camp sunt: curentul de camp de goluri minoritare si curentul de camp de electroni minoritari

In cazul polarizarii directe, bariera de potential micsorandu-se (figura 5, b), curentii de purtatori majoritari vor creste, deoarece un numar mai mare de purtatori au energie suficienta incat sa patrunda in regiunea de trecere, iar curentii de purtatori minoritari raman la valoarea de echilibru termic. Ca urmare prin jonctiune circula un curent relativ important.

In cazul polarizarii inverse, bariera de potential marindu-se (figura 5, c), curentii de purtatori majoritari scad, deoarece un numar mai mic de purtatori majoritari au energie suficienta incat sa patrunda in regiunea de trecere, iar curentii de purtatori minoritari raman la valorile de la echilibrul termic.

Curentul care se stabileste prin jonctiune are o valoare relativ mica. Pentru o tensiune inversa relativ mica, curentii de purtatori majoritari devin neglijabili, iar prin jonctiune circula numai un curent foarte mic, format din curentii de purtatori minoritari, indreptat dinspre spre numit curent invers.

Deci, o jonctiunea p-n prezinta un efect de redresare; ea permite trecerea curentului cand este polarizata direct si limiteaza foarte mult acest curent la polarizare inversa.

Din punct de vedere al sursei de energie care contribuie la realizarea conductiei, diodele se impart in: diode electronice si diode semiconductoare.

Diodele semiconductoare sunt: cu jonctiuni si cu varf metalic - semiconductor (diode cu contact punctiform).

II. ARANJAMENT EXPERIMENTAL

Figura 6

III. MODUL DE LUCRU

- Se realizeaza montajul din figura de mai jos;

Nu se aplica tensiune circuitului decat dupa ce realizarea montajului este verificata;

- Cursorul reostatului se aduce in pozitie minima;

- Comutatorul inversor se aduce in pozitia in care diodei i se aplica o tensiune directa;

- Se aplica diodei tensiunea diodei din 0,1 in 0,1 V si se citeste corespunzator.

- Se aduce cursorul reostatului in pozitia de tensiune minima.

- Se schimba pozitia comutatorului corespunzator tensiunii inverse.

- Se modifica scara ampermetrului.

- Se aplica diodei tensiunea inversa tot din 0,1 in 0,1 V si se citesc valorile corespunzatoare lui

Datele se trec in urmatorul tabel:

- se vor trasa curbele si