Polarizarea jonctiunii pn

Polarizarea jonctiunii pn

Ansamblul compus dintr-o jonctiune pn si contactele metalice necesare conectarii jonctiunii in circuitele electronice se numeste dioda semiconductoare. Simbolul diodei semiconductoare este prezentat in Fig. 12.7.

Regiunea semiconductoare de tip p a jonctiunii se numeste anod (A) iar regiunea de tip n se numeste catod (C).

Fig. 12.7. Simbolul diodei semiconductoare.

La aplicarea unei tensiuni electrice continue exterioare U_A, jonctiunea pn iese din conditia de echilibru termic. In aceste conditii campul electric intern se modifica si ca urmare egalitatea curentilor de drift si de difuzie pentru electroni (12.20) si respectiv pentru goluri (12.21) nu mai poate fi respectata. Rezulta ca prin jonctiune va circula un curent total net diferit de zero.

Daca regiunea p a jonctiunii pn, este polarizata pozitiv fata de regiunea n, jonctiunea pn este polarizata direct U_A>0 (Fig. 12.8 a), iar daca regiunea p, este polarizata negativ fata de regiunea n, jonctiunea este polarizata invers, U_A<0 (Fig. 12.8 b). In functie sensul campului electric extern, bariera de energie potentiala se va modifica cu marimea eU_A, adica: eU=eU₀-eU_A, unde U_A>0, pentru polarizarea directa si U_A<0 pentru polarizarea inversa a jonctiunii pn.

Astfel, in cazul polarizarii directe, U_A>0, campul electric extern este orientat de la regiunea p la regiunea n, adica are sens opus campului electric intern . Campul electric total va fi dat de diferenta dintre campul electric extern si campul electric intern: . Acest fenomen conduce la micsorarea barierei de potential intern (Fig. 12.8 a) la valoarea (U₀-U_A). Fluxurile de purtatori majoritari ce vor depasi bariera de potential micsorata vor fi mult mai mari decat la echilibru termic, ele crescand exponential cu tensiunea electrica aplicata U_A. Ca urmare prin jonctiune va circula un curent net cu sensul dinspre regiunea p catre regiunea n, de valoare mare si care creste rapid cu cresterea tensiunii aplicate din exterior. Curentul total este un curent de difuzie, format din purtatori de sarcina majoritari si se numeste curent direct (Fig. 12.8 a).

In cazul polarizarii inverse, U_A<0, campul electric extern este orientat de la regiunea n la regiunea p, adica are acelasi sens cu campul electric intern, si ca urmare bariera de potential creste (Fig. 12.8 b) la valoarea (U₀+U_A). Fluxurile de purtatorii majoritari care trec peste bariera de potential marita sunt mult mai reduse decat in cazul echilibrului termic. In acest caz curentul net prin jonctiune este format din purtatori de sarcina minoritari, orientat de la regiunea n la regiunea p. Acest curent se numeste curent invers de saturatie si are o valoare mult mai redusa decat curentul direct al jonctiunii pn (Fig. 12.8 b).

Trebuie mentionat faptul ca, curentul invers, format din purtatorii minoritari in raport cu regiunea din care pleaca, depinde mult mai slab de valoarea campului electric rezultant deoarece concentratia purtatorilor minoritari in semiconductorii extrinseci au valori reduse.

Pe de alta parte numai purtatorii de sarcina minoritari generati intr-una din regiunile neutre ale jonctiunii, pe o distanta egala cu lungimea de difuzie fata de regiunea de trecere, pot sa ajunga prin diferite mecanisme de imprastiere la marginea acestei regiuni. Odata intrati in regiunea de sarcina spatiala, purtatorii de sarcina minoritari sunt preluati de campul electric, practic instantaneu, si trecuti in regiunea neutra a jonctiunii, indiferent de valoare campului electric. De aceea curentul invers poate fi considerat un curent de drift

   

   

a)                                       b)

Fig. 12.8. Polarizarea jonctiunii pn:

a) polarizarea directa, b) polarizarea inversa.

Asa cum am mentionat, la aplicarea unei tensiuni electrice din exterior, in functie de sensul campului extern, bariera de energie potentiala se modifica cu marimea eU_A. Starea de echilibru fiind stricata, in locul nivelului Fermi E_F, in regiunea de trecere vor apare alte doua nivele numite cvasinivelele Fermi E_Fn si E_Fp cu ajutorul carora se poate studia comportamentul jonctiunii pn in timpul polarizarii. Aceste doua cvasinivele vor fi deplasate intre ele cu exact energia potentiala eU_A a barierei de potential (Fig. 12.9).

La polarizare directa, cvasinivelul Fermi din regiunea n este mai ridicat decat ce din regiunea p, cu marimea eU_A (Fig. 12.9 a), pe cand la polarizare inversa cvasinivelul Fermi din regiunea n este mai coborat cu eU_A fata de cvasinivelul Fermi din regiunea (Fig. 12.9 b).

In acelasi timp, odata cu modificarea barierei de potential, largimea regiunii de trecere a jonctiunii va creste sau va scadea, fata de cazul echilibrului termic, cu marimea tensiunii aplicate din exterior U_A, in functie de sensul campului electric extern. Astfel, pe baza relatiei (12.40) expresia largimii regiunii de trecere a unei jonctiunii pn simetrice, se poate scrie sub forma:

(12.50)

unde U_A<0 la polarizare inversa si U_A>0 la polarizare directa. Din relatia (12.50) se observa ca largimea regiunii de trecere creste in cazul polarizarii inverse si scade in cazul polarizarii directe a jonctiunii pn. La polarizari inverse mari , largimea regiunii de trecere este proportionala cu , rezultat specific jonctiunilor abrupte.

   

a) b)

Fig. 12.9. Diagrama energetica a jonctiunii pn polarizate:

a) polarizare directa, b) polarizare inversa.

Pentru jonctiuni asimetrice, regiunea de trecere patrunde mai adanc in regiunea mai slab dopata, in acelasi mod ca la echilibru termic. Pentru o jonctiune asimetrica de forma n⁺p (N_d>>N_a), largimea regiunii de trecere are expresia:

(12.51)

iar pentru o jonctiune asimetrica de forma p⁺n (N_a>>N_d):

(12.52)

De asemenea, pe baza relatiilor (12.44) si (12.45) se pot gasi si largimile regiunilor de trecere din regiunea p si respectiv n:

Intre marimile si exista o relatie asemanatoare relatiei (12.38) de la echilibru termic:

(12.53)

relatie care arata ca sarcina regiunii de trecere care se extinde in zona p este egala cu sarcina regiunii de trecere care se extinde in regiunea n a jonctiunii.

Valoare campului electric maxim din regiunea de trecere, conform relatiei (12.47) devine, in cazul polarizarii:

(12.54)

Rezulta ca in cazul polarizarii inverse, U_A<0, campul electric maxim creste, iar in cazul polarizarii directe, U_A>0, scade fata de echilibru termic al jonctiunii pn. De asemenea in cazul jonctiunilor asimetrice, campul electric este practic localizat in regiunea mai slab dopata.