Strapungerea jonctiunii pn

Strapungerea jonctiunii pn

Caracteristica curent-tensiune a jonctiunii pn este exponentiala in cazul polarizarilor directe si o dreapta aproximativ paralela cu abscisa in cazul polarizarilor inverse pana la o anumita valoare la care intervine fenomenul de strapungere a jonctiunii. Curentul invers de saturatie la care tinde valoarea curentului prin jonctiunea polarizata invers este foarte mic, el fiind de ordinul microamperilor la diodele de mica putere pe baza de Ge si de ordinul nanoamperilor la cele cu Si. Astfel, o dioda semiconductoare cu jonctiune pn functioneaza ca un comutator ideal de curent, prezentand o rezistenta foarte mica in sens direct de comutare (U_A>0) si o rezistenta inversa practic infinit de mare pentru sensul invers de comutare (U_A<0), adica caracteristica are un puternic caracter neliniar. Datorita acestui caracter neliniar diodele au aplicatii deosebite in diferite circuite electronice de redresare, circuite de impulsuri, circuite logice, detectoare, circuite integrate, etc.

Fenomenul se strapungere a jonctiunii pn consta in cresterea puternica a curentului invers la o tensiune de polarizare inverse U_str numita tensiune de strapungere (Fig. 12.13). La aceasta tensiune inversa, cresterea abrupta a curentului invers la o valoare care tinde la infinit, trebuie limitata de rezistentele din circuit pentru a nu depasi o valoare la care jonctiunea s-ar distruge datorita incalzirii excesive. Fenomenul de strapungere constituie o limitare pentru tensiunile inverse pana la care poate fi utilizata o jonctiune pn in aplicatiile bazate pe conductia ei unilaterala (in circuite de redresare). Dimpotriva in circuitele de stabilizare a tensiunii in care se impune mentinerea unei tensiuni aproape constante pentru variatii mari ale curentului, fenomenul de strapungere devine foarte important.

Strapungerea jonctiunii pn poate fi explicata prin trei mecanisme si anume: strapungerea termica, efectul Zener si efectul de multiplicare in avalansa a purtatorilor datorita ionizarilor prin ciocniri. Primul mecanism este determinat de incalzirea jonctiunii pn, prin efect Joule, cand este traversata de curentul invers iar ultimele doua mecanisme de strapungere sunt datorate cresterii puternice a intensitatii campului electric in regiunea de trecere odata cu cresterea tensiunii inverse aplicate jonctiunii.

Strapungerea termica a jonctiunii pn are loc atunci cand cantitatea de caldura generata de curentul invers este mai mare decat caldura pe care jonctiunea o poate disipa in mediul inconjurator. In acest caz temperatura jonctiunii creste, rezistenta electrica a acesteia scade si curentul invers creste si mai mult determinand o supraincalzire si in final distrugerea termica a jonctiunii. Dependenta curentului invers de tensiune in cazul strapungerii termice este prezentata in Fig. 12.13 curba (a). Din aceasta figura se observa ca exista pe curba o regiune de rezistenta negativa. In cazul in care temperatura mediului inconjurator este foarte ridicata si exista o degajare slaba de caldura din jonctiune, tensiunea de strapungere termica poate fi sub valorile de strapungere ale altor tipuri de strapungeri.

Efectul Zener consta in aparitia unui numar crescut de purtatori de sarcina prin ruperea unor legaturi covalente sub actiunea unui camp electric foarte intens in interiorul semiconductorului, generandu-se astfel perechi electron-gol. Acest fenomen apare la concentratii de impuritati mai mari de 10¹⁸ cm^-3 si la tensiuni mici de strapungere, U_z, sub 6-7 V pentru siliciu. Dupa atingerea tensiunii de strapungere, jonctiunea are un comportament ohmic, dupa cum se poate observa din Fig. 12.13 curba (b).

Efectul de multiplicare prin avalansa are loc la tensiuni inverse ridicate, cand intensitatea campului electric din regiunea de sarcina atinge valori mari, in jur de 10⁷ V/m si imprima o acceleratie ridicata purtatorilor mobili de sarcina. In urma ciocnirii cu atomii retelei cristaline, un purtator de sarcina poate avea energie suficienta pentru ruperea unei legaturi covalente. Putatori de sarcina care apar in urma ruperii legaturilor covalente sunt antrenati la randul lor de campul electric si pot rupe alte legaturi covalente, ducand la aparitia unor purtatori de sarcina suplimentari, s.a.m.d. Ca urmare a multiplicarii prin avalansa a purtatorilor de sarcina curentul electric creste foarte mult, fiind dat de relatia:

(12.104)

unde M se numeste coeficient de multiplicare si este dat de relatia empirica:

(12.105)

Coeficientul de multiplicare este definit ca raportul dintre numarul purtatorilor de sarcina care intra in regiunea de trecere si numarul purtatorilor de sarcina care ies din aceasta regiune.

Exponentul n este cuprins intre 4 si 7, valoarea sa depinzand de natura semiconductorului. Cresterea curentului in jurul tensiunii de strapungere datorita multiplicarii prin avalansa are loc mult mai abrupt decat in cazul strapungerii prin efect Zener, dupa cum se poate observa din Fig. 12.13 curba (c).

Fig. 12.13. Mecanismele de strapungere ale jonctiunii pn.

Regiunea de strapungere a caracteristicii curent-tensiune, unde tensiunea este practic independenta de valoarea curentului se numeste regiune de stabilizare. Ca diode stabilizatoare de tensiune sunt preferate diode la care strapungerea se datoreaza efectului de multiplicare prin avalansa, cresterea curentului in acest caz facandu-se mult mai abrupt decat in cazul efectului Zener.

Diodele stabilizatoare de tensiune se numesc diode Zener, desi nu efectul Zener caracterizeaza functionarea lor. Tensiunea de strapungere a diodelor stabilizatoare este cuprinsa intre cativa volti si cateva sute de volti.