La giunzione pn

1. La giunzione pn giunzione elettrone lacuna ione + (DONATORE) ione – (ACCETTORE) • le due zone n e p inizialmente sono elettricamente NEUTRE • all’atto di formazione della giunzione, per effetto della DIFFUSIONE, si crea un movimento di portatori di maggioranza verso la zona di minor concentrazione • (lacune: p  n elettroni: np)

2. La giunzione pn • i portatori di maggioranza che attraversano la giunzione scompaiono per RICOMBINAZIONE • in prossimità della giunzione si crea pertanto un doppio strato “svuotato” dai portatori di maggioranza e in cui rimangono scoperte (non bilanciate) le cariche degli ioni fissi; tale zona viene detta REGIONE DI SVUOTAMENTO (RdS) • le cariche all’interno della RdS danno origine ad un CAMPO ELETTRICO che si oppone al flusso per diffusione e gradualmente lo rallenta • all’ EQUILIBRIO, il flusso complessivo di portatori attraverso la giunzione è nullo filmato giunzione

3. Il potenziale nella giunzione pn • all’interno della RdS vi è una carica netta, negativa su un lato e positiva sull’altro • il campo elettrico dipende dalla posizione: è max. in prossimità della giunzione e si annulla alle estremità della RdS • a causa del campo elettrico gli estremi della banda di conduzione (BC) e della banda di valenza (BV) si piegano filmato bande giunzione

4. Il potenziale nella giunzione pn le bande si incurvano in corrispondenza della giunzione e, passando dalla zona n alla zona p, si alzano di una quantità V0, detta BARRIERA DI POTENZIALE, perché rappresenta la barriera energetica che gli elettroni devono superare per muoversi dalla zona n alla zona p il valore tipico di V0 è V00,7V a causa della modifica delle bande, gli elettroni sono respinti dalle zone dove la BC si è alzata e sono invece sospinti verso le zone in cui la BC si è abbassata. viceversa le lacune si muovono preferibilmente verso le zone in cui la BV si è alzata.

5. Idiff,n Idrift,n Idiff,p Idrift,p Le correnti nella giunzione pn all’ EQUILIBRIO, il flusso complessivo di portatori attraverso la giunzione è nullo: questo non significa che non ci sono portatori che attraversano la giunzione ma solo che i flussi nei due sensi opposti si compensano sia per gli elettroni che per le lacune esistono due tipi di corrente: CORRENTE DI DIFFUSIONE: è dovuta alla differenza di concentrazione ed è prodotta dai portatori maggioritari che, attivati termicamente, hanno l’energia sufficiente per superare la barriera di potenziale della giunzione CORRENTE DI DERIVA: è dovuta alle cariche che si muovono sotto la forza di un campo elettrico ed è prodotta dai portatori minoritari che sono favoriti dalla barriera di potenziale della giunzione

6. Le correnti nella giunzione pn all’ EQUILIBRIO: filmato correnti giunzione equilibrio Idrift,n=Idiff,n (principio di bilanciamento separato) Idrift,p=Idiff,p dal principio di bilanciamento separato si può ricavare che: a Tamb (300K)  VT=0,026V

7. La regione di svuotamento lo spessore della RdS è inversamente proporzionale al drogaggio ed è tipicamente dell’ordine del m: inoltre, vale la relazione:  la RdS è più estesa nella regione meno drogata

8. La polarizzazione della giunzione pn polarizzare la giunzione significa collegare un generatore esterno alla giunzione stessa RdS cristallo contatti Ipotesi:  tutta la ddp esterna risulta applicata alla RdS • contatti ohmici • resistività del cristallo (fortemente drogato)  0 • (rispetto a quella della RdS) filmato polarizzazione

9. I Polarizzazione diretta della giunzione pn La giunzione si dice polarizzata DIRETTAMENTE quando il polo + del generatore è collegato al lato p e il polo – al lato n • il campo esterno si contrappone al campo interno della giunzione e provoca un abbassamento della barriera di potenziale della giunzione • la diffusione riprende sospingendo elettroni nella direzione np e lacune nella direzione pn (INIEZIONE DI PORTATORI MAGGIORITARI) • l’iniezione produce un restringimento della RdS e, al tempo stesso, un aumento della ricombinazione • i processi di iniezione e ricombinazione vengono alimentati dal generatore che continuamente fornisce elettroni al lato n e lacune al lato p (in realtà in questo ultimo caso sottrae elettroni) • tutto questo si manifesta come passaggio di corrente nel circuito esterno

10. Polarizzazione diretta della giunzione pn la corrente che attraversa la giunzione è data da: se VG aumenta fino a diventare VO, la ddp ai capi della giunzione teoricamente si annulla e la I diventa estremamente elevata. In realtà la ddp ai capi della giunzione non si annulla mai perché se la corrente cresce indefinitamente, la resistenza dei contatti ohmici e del cristallo, non più trascurabili, intervengono a limitare la corrente e non è più lecito supporre che tutta la corrente si localizzi sulla RdS filmato polarizzazione diretta

11. Polarizzazione inversa della giunzione pn La giunzione si dice polarizzata INVERSAMENTE quando il polo + del generatore è collegato al lato n e il polo – al lato p • il campo esterno è nella stessa direzione del campo interno della giunzione e provoca un innalzamento della barriera di potenziale della giunzione • la RdS si allarga ed è favorito il movimento attraverso la giunzione dei portatori minoritari (corrente di deriva) • essendo pochi, i portatori minoritari danno luogo ad una piccola corrente di deriva attraverso la giunzione I0 (CORRENTE DI SATURAZIONE INVERSA) • I0 è molto piccola (pochi nA nel Si e pochi A nel Ge) ed è perciò trascurabile filmato polarizzazione inversa

12. Polarizzazione inversa della giunzione pn la corrente inversa rimane trascurabile fintantoché la tensione inversa VG rimane al di sotto di un certo valore, detto TENSIONE DI ROTTURA (breakdown) VB quando VGVB la corrente inversa aumenta enormemente a causa di: • EFFETTO ZENER: il campo elettrico ai capi della giunzione è così elevato da strappare gli elettroni dai legami covalenti all’interno della RdS • EFFETTO VALANGA: un elettrone accelerato dal campo elettrico interno alla giunzione acquista un energia così elevata da strappare gli elettroni dai legami covalenti quando urta un atomo all’interno della RdS. Questo processo si ripete per i nuovi elettroni generati, creando così un effetto di moltiplicazione a valanga dei portatori. il breakdown della giunzione non è necessariamente un fenomeno distruttivo, purché la corrente venga mantenuta entro limiti accettabili e si eviti un eccessivo riscaldamento della giunzione stessa. Esso è anzi sfruttato utilmente nella realizzazione di alcuni dispositivi (diodi zener)