Diode semiconductoare

Diode semiconductoare

Contactul a doua regiuni semiconductoare, una de tip - p cealalta de tip - n va da nastere unei jonctiuni p-n in regiune de contact la fel ca in figura alaturata:

Exista mai multe procedee de obtinere a jonctiunilor p-n pe baza carora sunt produse diferite dispozitive semiconductoare cu jonctiui (diode, tranzistoare, tiristoare s.a.) sau circuite integrate. Se utilizeaza pentru realizarea acestor jonctiuni procedee tehnologice planare sau planar-epitaxiale, aliere, difuziune si implantare ionica.

Practic jonctiunea p-n se formeaza in interiorul unui mic bloc de material semiconductor monocristalin prin introducerea impuritatilor donoare intr-un capat si a impuritatilor acceptoare in capatul opus.

Dupa caracterul structurii lor, jonctiunile p-n pot fi:

abrupte sau line (in functie de modul de introducere a impuritatilor);

simetrice sau nesimetrice (acestea fiind cele mai raspandite).

O jonctiune p-n nesimetica se poate obtine prin impurificarea unei regiuni delimitate dintr-un monocristal semiconductor deja impurificat uniform (in timpul cresterii) cu impuritati de tip contrar, astfel incat:

N_a ≠ N_d

unde:    N_a - concentratia impuritatilor acceptate;

N_d - concentratia impuritatilor donoare.

In cazul unei jonctiuni p-n conceptia impuritatilor variaza abrupt,insa concentratia purtatorilor va avea o variatie continua, aproximativ lineara in regiunea de contact la fel ca in figura alaturata:

Datorita existentei gradientului de concentratii in regiunea invecinata jonctiunii p-n, vor apare curenti de difuzie, electronii din domeniul -n mergand spre regiunea -p, iar golurile din zona -p spre regiunea -n, ca efect, in scurt timp concentratiile de purtatori in regiunile invecinate planului de contact - vor scadea, (vezi figura alaturata) astfel incat rezistenta electrica va creste.

In urma difuziei purtatorilor din zonele adiacente planului de contact, in aceste regiuni va aparea un srat dublu de sarcini spatiale care vor da nastere unui camp electronic sub actiunea cariua apar curenti ohmici si goluri de electroni, care la echilibru var fi egali de sensuri contrare curentilor de difuzie (corespunzator purtatorilor majoritari) astfel incat curentul rezultat care strabate junctiunea p-n este nul.

La aplicarea unei tensiuni electrice (U_A), din exterior, aceasta se regasesc in zona de sarcina spatiala a jonctiunii conectand borna (+) a tensiunii aplicate la zona de tip -n si borna (-) la zona de tip -p, conform figurii alaturate, atunci se va realiza polarizarea inversa a jonctiunii p-n.

In acest caz, campul electric creat de tensiunea U_A, aplicata jonctiunii din exterior, are acelasi sens cu campul elecrric intern din regiunea de sarcina spatiala, avand ca elect cresterea barierei de potential electric peste valoarea de echilibru. Aceasta va influenta curentul de purtatori majoritari (curentul de difuzie) determinat de deplasarea golurilor majoritate de la regiunea -p spre regiunea de tip -n si de deplasarea electronilor din regiunea -n spre regiunea de tip -p, conducand la diminuarea acestui curent datorita barierei de potential crescut, astfel curgerea purtatorilor majoritari prin jonctiune fiind efectiv blocata.

In schimb, curentul de purtatori majoritari (curentul de camp) nu este influentat de marimea barierei de potential, acest curent purtand denumirea de curent de saturatie a jonctiunii pn.

Deci la polarizarea inversa, curentul invers al jonctiunii pn este mic, fiind limita de viteza de la generare a potratorilor minoritari si independent de tensiunea inversa.
Daca se aplica o tensiune electrica (+U_A) de polarizare directa a jonctiunii pn, adica se conecteaza borna (+) a tensiunii aplicate din exterior la regiunea de tip -p si borna (-) la regiunea de tip -n, conform figurii alaturare, atunci campul electric care este orientat in sens opus campului electric intern, fiind atenuata actiunea de franare a difuziei purtatorilor majoritari.

Ca efect, va scadea inalimea barierei de potential electric sub valoarea de echilibru. Deci polarizarea directa a jonctiunii favorizeaza procesul de difuzie a purtatorilor majoritari de sarcina, curentul de difuzie crescand rapid, proportional cu tensiunea directa aplicata jonctiunii, fiind mult mai mare decat curentul de camp al purtatotilor minoritati (care este neglijabil).

La polarizarea directa a jonctiunii 'pn', concentratiile de portatori minoritari in apropierea junctiunii cresc in raport cu valorile corespunzatoare de la echilibru, putandu-se aprecia ca un proces de injectie de purtatori minoritari in exces. Astfel, golurile (purtatori majoritari in regiunea 'p') difuzeaza prin regiunea de sarcina spatiala si sunt injectate in exces in regiunea de tip 'n' unde creasca concentratia de purtatoti minoritari. Dar, aceste goluri minoritare injectate in ragiunea 'n' au un anumit timp de viata, t_p , si vor difuza spre interiorul regiunii de tip 'n' pana la o anumita adancime de patrundere, numita lungime de difuzie - Lp, pana la completa lor recombinare cu electronii majoritati.

Intre lungimea de difuzie - Lp si timpul de viteza - t_p existand relatia:

Lp = Dp x t_p

in care - Dp fiind constanta de difuzie a golurilor.

Valorile tipice ale lungimii de difuzie a purtatorilor minoritari sunt de ordinul 10^-4 - 10^{-2 mm}

O aplicatie practica a jonctiunii pn o constituie dioda simiconducatoare cu jonctiune pn a carei caracteristica curent-tensiune este data:

Din punct de vedere al structurii fizice, o dioda semiconductoare cu jonctiune pn asimetica dopata, cum arata figura alaturata, are urmatoarele caracteristici:

- Regiunea de tip -p este dopata mult mai puternic decat regiunea de tip -n, adica concentratia atomilor de impuritati acceptoare N_a in regiunea de tip -p este mult mai mare decat concentratia de impuritati donoare din regiunea de tip -n,realizand o disproportie mare intre concentratiile purtatorilor la echilibru. La perturbarea echilibrului, curentul de goluri este mult mai mare decatcurentul de electroni care traverseaza jonctiunea. Din aceasta cauza in regiunea de tip -n pot exista concentratii mari de goluri minoritare injectate in exces.

- In zona de tip -n exista doua regiuni adiacente -n₁ si -n₂, care au aceeasi concentratie de impuritati donoare Nd, dar cu timpi de viteza diferiti (t₁ si respectiv t₂). Regiunea -n₁, adiacenta zonei -p are o latime -w mica, numita baza subtire. Timpul de viata - t₁ in aceasta regiune esta atat de mate incat recombinarea ce apare aici este neglijabila. Timpul de viata in regiunea -n₂ atat de mica, incat se pot neglija concentratiile corespunzatoare de la echilibru, deci t₁>>t₁.

In conductie directa, dioda permite trecerea unui curent mare de concentratie directa in domeniul a zeci sau site de milioane, iar in conductie inversa dioda permite trecerea unui curent invers mic (domeniul nanoamperilor), raportul dintre curentul direct si curentul invers fiind de sase ordine de marime. Deci, lapolarizare directa, dioda cu junctiune p-n determina o cadere foarte mica de tensiune la borne (tensiunea directa este de ordinul zecinii de volt) iar la polarizarea inverza, dioda determina o cadere mare de tensiune la borne (tensiunea inversa fiind de orginul sutelor de volti).