La giunzione PN Per formare una giunzione PN, bisogna drogare un cristallo, da una parte con una sostanza trivalente ( ad es. il boro; Zona P) e dall altra con una sostanza pentavalente (ad es.il fosforo; zona N). La giunzione si formerà dove la concentrazione netta è pari a zero: N = N D N A = 0 La giunzione si forma dove la concentrazione netta (N) è uguale a zero: N = Nd - Na Al momento della creazione di queste due zone di differente drogaggio avvengono i seguenti fenomeni: Nella zona N ci saranno molti elettroni (cariche maggioritarie) e poche lacune (cariche minoritarie); nella zona P ci saranno, invece, molte lacune (cariche maggioritarie) e pochi elettroni ( cariche minoritarie). A causa di questa differenza di concentrazione gli elettroni cominciano a diffondere nella zona P e le lacune nella zona N dando vita alla corrente di diffusione, che è la corrente delle cariche maggioritarie.
Questo movimento di elettroni e lacune darà origine, vicino al punto di giunzione, zona più interessata al fenomeno (perché risente maggiormente della differenza di concentrazione di carica libera), ad un addensamento di ioni positivi (nella zona N) e ioni negativi (nella zona P) creando la zona di svuotamento che darà origine, a sua volta, ad una ddp ( barriera di potenziale) e quindi ad un campo elettrico. Il campo Elettrico creerà una corrente di elettroni, elettroni che dalla zona P andranno nella zona N. Questa corrente è detta di Drift ed è la corrente delle cariche minoritarie, in quanto nella zona p gli elettroni sono le cariche minoritarie. Il campo elettrico venutosi a formare si oppone alla corrente di diffusione e favorisce la corrente di Drift. A questo punto la corrente di Drift aumenterà, mentre la corrente di diffusione diminuirà e ad un certo punto si raggiungerà un equilibrio fra le due correnti. Andamento della barriera di potenziale.
Polarizzazione di una giunzione PN Polarizzazione diretta: ioni accettori zona p ioni donatori zona n Quando polarizziamo direttamente una giunzione PN, applichiamo un potenziale alla zona P che è maggiore di quello che applicheremo alla zona N. Questo campo elettrico che applichiamo è contrario a quello formatosi nella zona di svuotamento prodotto dalla corrente di diffusione, quindi quest ultimo diminuirà facendo diminuire la corrente di Drift e aumentare la corrente di diffusione che è la corrente, come abbiamo gia detto, delle cariche maggioritarie, così la giunzione entra in conduzione. La barriera di potenziale si abbasserà e sarà: Pertanto raggiunta una determinata tensione, detta tensione di soglia, inizierà a scorrere una corrente elevata che cresce in modo esponenziale al crescere della tensione stessa applicata.
POLARIZZAZIONE INVERSA Se si polarizza la giunzione PN inversamente, col polo negativo della batteria collegato alla zona P della giunzione e il polo positivo alla zona N, il campo elettrico nella zona di svuotamento viene rafforzato e quindi la differenza di potenziale localizzata ai capi della zona di svuotamento aumenta, aumentando la BARRIERA di POTENZIALE e allargando la zona di svuotamento. Viene pertanto favorita la corrente di drift e quindi il passaggio dei portatori minoritari, che danno origine ad una corrente di deriva molto piccola e quasi costante. Se si raggiungono alti valori di tensione inversa si ha, ad una determinata tensione detta di breakdown, un aumento della corrente inversa dovuta a due effetti (valanga e zener) a seconda del tipo di drogaggio effettuato nel semiconduttore. * * * EFFETTO VALANGA: Perché avvenga questo fenomeno ci deve essere una zona di svuotamento ampia e quindi un drogaggio P N. All interno della zona di svuotamento, si può creare una coppia elettrone-lacuna per effetto termico. L elettrone si troverà quindi a muoversi nel campo elettrico e quindi acquista energia cinetica, prendendo velocità. Nel suo percorso urterà un elettrone di legame, cedendogli la sua energia (Etot= quanto di E), e se questa è sufficiente a liberarlo dal legame con l atomo si libererà a sua volta. Questa è detta IONIZZAZIONE PER URTO. Questo effetto avviene ad una tensione di zener di -8V, e all aumentare della temperatura di esercizio si sfavorisce il fenomeno, poiché aumenta il caos delle cariche interne alla zona di svuotamento e aumenta quindi il numero di urti, per cui l elettrone libero rischia di urtare quello di legame quando ancora non possiede l Energia sufficiente per liberarlo. Aumenta quindi anche la Vz.
Vzt1=Vzt0*(1+ T) con Vzt1 > Vzt0 per cui (Vzt1 Vzt0) > 0 siccome Vzt1=Vzt0 + Vzt0 T quindi = (Vzt1 Vzt0) > 0 > 0 (Vzt0 * T) > 0 EFFETTO ZENER: Avviene in una barretta di silicio molto drogata, in questa situazione la zona di svuotamento è molto sottile(nell ordine dell Armstrong). L elettrone formatosi per effetto termico non ha lo spazio necessario per la ionizzazione per urto. In tal caso l aumento di corrente è invece dovuto ad un fortissimo campo elettrico che libera gli elettroni di legame creando una corrente inversa: E=V\d E se d La Vz in questo caso è di 5V. L aumento di temperatura favorisce il fenomeno, perché aumenta l energia posseduta dagli elettroni di legame, quindi è necessario un E minore per liberarli dal legame.. Vzt1 < Vzt0 per cui < 0
L andamento complessivo quindi della corrente in funzione della tensione in un componente formato da una giunzione P-N, detto diodo, è la seguente: La cui espressione è data da : V Vt I Io( e 1) dove: è una costante che dipende dal semiconduttore utilizzato Io è la corrente inversa di saturazione cioè la massima corrente che passa nel diodo quando è polarizzato inversamente. Vt è l equivalente in volt della temperatura (costante) V tensione applicata al diodo
CAPACITA' DI TRANSIZIONE E DI DIFFUSIONE. Polarizzando inversamente la giunzione nasce una capacità di transizione in quanto la zona P e la zona N possono essere considerate come le armature di un condensatore e lo spazio fra di esse, cioè la zona di svuotamento assente di cariche libere, il dielettrico. Questa capacità di transizione può essere calcolata attraverso la seguente formula: Ct = * (S/d) dove è la costante dielettrica, S è la superficie della barretta di silicio e d è la larghezza della zona di svuotamento. S d Aumentando la tensione, essendo la giunzione polarizzata inversamente, la zona di svuotamento si allarga e di conseguenza la capacità di transizione diminuisce, perché aumenta d. Infatti la caratteristica che lega questi 2 parametri è la seguente: Sfruttando questa caratteristica vengono costruiti dei condensatori a semiconduttore detti varicap o varactor. La loro principale caratteristica è quella di variare la capacità variando la tensione ai loro capi. Se si polarizza direttamente la giunzione si forma una capacità di diffusione dovuta unicamente dalla corrente di diffusione che attraversa la giunzione. Essendo questa capacità di tipo statistico, non la posso valutare e per questo può creare solo dei problemi e quindi non può essere utilizzata per la realizzazione di alcuna componentistica.
TEMPI DI COMMUTAZIONE I tempi di commutazione sono 2: tempo di recupero diretto da OFF a ON tempo di recupero inverso da ON a OFF. Quest'ultimo è il tempo più lungo e vale circa (100-150) nsec, vediamone la causa: POLARIZZAZIONE POLARIZZAZIONE INVERSA DIRETTA Cariche Minoritarie Cariche Minoritarie np pn np pn np0 np0 pn0 Nei pressi della giunzione si ha un accumulo di cariche minoritarie perché non riescono a passare la giunzione polarizzata direttamente. np0 e pn0 sono la concentrazione delle cariche minoritarie per effetto termico ed hanno un valore costante ovunque. np e pn sono i portatori minoritari che in precedenza erano maggioritari ( giunti per diffusione dalla parte opposta della giunzione ). La giunzione nel portarsi da ON a OFF lascia passare tutte le cariche minoritarie accumulate e queste devono essere smaltite tutte, per questo il tempo di recupero inverso è cosi lungo. La concentrazione dei portatori minoritari nei pressi della zone di svuotamento deve annullarsi, poiché tutte le coppie elettrone-lacuna vengono rapidamente rimosse per effetto della differenza di potenziale.
CONTATTO METALLO-SEMICONDUTTORE RETTIFICANTE:GIUNZIONE SCHOTTKY PURAMENTE OHMICO Definizione di Potenziale di Estrazione: Energia necessaria all'elettrone che si trova nell'ultimo livello energetico per potersi liberare dal legame con l'atomo. B.C. B.V. Ora ogni materiale ha il suo potenziale di estrazione o lavoro di estrazione, quindi se si mette a contato un metallo con un semiconduttore drogato ad esempio di tipo N accade che tendono ad equilibrare i due potenziali di estrazione. Siccome il potenziale di estrazione del semiconduttore di tipo N è inferiore a quello del metallo nasce un movimento di elettroni dal semiconduttore al metallo. A questo punto gli elettroni che si muovono dal semiconduttore al metallo si lasciano alle spalle degli ioni positivi, mentre il metallo si carica negativamente a causa degli elettroni che sopraggiungono. Nasce quindi una ddv che crea un Campo Elettrico e quindi una corrente di Drift.
Il campo Elettrico favorisce la Idrift e sfavorisce quella dovuta al potenziale di estrazione, per cui dopo poco si raggiungerà l'equilibrio delle due correnti e la giunzione si dice in equilibrio. Si nota immediatamente l'analogia con la giunzione P-N. A questo punto se applico un potenziale negativo alla zona N e positivo al metallo si avrà la giunzione polarizzata direttamente. Mentre se applico un potenziale positivo alla zona N e negativo al metallo si avrà la giunzione polarizzata inversamente. N.B. Non nasce mai un contatto rettificante fra Alluminio e Si P ( è sempre un contatto puramente ohmico). Per rendere puramente ohmico il contatto fra Alluminio e Si N occorre drogare fortemente il silicio, in tal modo la zona di svuotamento è sempre molto stretta e la corrente fluisce facilmente in entrambi le direzioni (effetto Tunnel).