2Jonctiunea PN

7/25/2019 2Jonctiunea PN

1/10

CAPITOLUL 2. JONCIUNEA PN.

8


2.1 REALIZAREA JONCIUNII PN

Dac dopm o jumtate dintr-un cristal de siliciu cu impuriti trivalente, iar cealalt

jumtate cu impuriti pentavalente se obin dou regiuni vecine cu tip diferit de

impurificare, o regiune de tip pi o regiune de tip n.

Jonciunea PN reprezint zona de contact dintre dou regiuni vecine, una de tip Pi

una de tip N, create ntr-un monocristal pur (fig.2.1 a).

a. Structur PN iniial b. Formarea regiunii de barier

Figura 2.1 Structura semiconductorului n care s-a creat o jonciune PN

La formarea jonciunii PN electronii din regiunea N tind s ocupe golurile din

regiunea P i difuzeaz prin jonciune. Deoarece prin plecarea electronilor rmneun surplus de sarcini electrice pozitive n vecintatea jonciunii spre regiunea N se

creeaz un spaiu ncrcat cu sarcini pozitive(ioni pentavaleni)(fig.2.1 b). n acelai

timp golurile din regiunea P se combin cu electronii care au strpuns jonciunea.

Prin sosirea electronilor apare un surplus de sarcini electrice negative iar n

vecintatea jonciunii spre regiunea P se creeaz un spaiu ncrcat cu sarcini

negative (ioni trivaleni) (fig.2.1 b).

Cele dou zone cu sarcini pozitive i negative formeaz regiunea de barier.Aceste procese se desfoar pn cnd sarcina negativ total din regiunea de

barier mpiedic ali electroni s mai difuzeze prin aceast regiune (apare

fenomenul respingere a sarcinilor electrice de acelai potenial).

n regiunea de barier ntre sarcinile pozitive i negative apare un cmp de fore

numit cmp electric intern. Diferena de potenial al cmpului electric intern se

numetepotenial de barier(Vp- tensiune de prag) i se exprim n voli.

Cmpul electric intern din regiunea de barier se comport ca o barier n caleaelectronilor care tind s traverseze regiunea.

- goluri- electroni

regiunea P regiunea N

jonciunea PN

-

+

regiune de barier

P N+

---+

++

Auxiliarul curricular - Electronic Analogic - este publicat online la adresa http://eprofu.ro/electronica/


2/10

AUXILIAR ELECTRONIC ANALOGIC COMPONENTE ELECTRONICE

9

Valoarea tensiunii de prag depinde de materialul din care este construit cristalul de

semiconductor:

n cazul siliciului tensiunea de prag este de aproximativ 0,61,2 V;

n cazul germaniului tensiunea de prag este de aproximativ 0,20,6 V.

Pentru ca electronii s poat strbate regiunea de barier, trebuie s li se furnizezeenergie din exterior, care se face prin polarizarea jonciunii PN.

2.2 POLARIZAREA DIRECT A JONCIUNII PN

Prin polar izarese nelege aplicarea unei tensiunii continue la capetele celor dou

regiuni. Lapolarizarea directborna plus (+)a sursei de alimentare se conecteaz

la regiunea Pa jonciunii PN iar borna minus (-)a sursei se conecteaz la regiunea

Na jonciunii PN. Jonciunea se conecteaz n serie cu un rezistor R care limiteaz

valoarea curentului prin circuit pentru a nu deteriora jonciunea.

Figura 2.2 Polarizarea direct a jonciunii PN

Att timp ct valoarea tensiunii sursei de alimentare Eeste mai mic dect tensiunea

cmpului electric intern Eintprin jonciune nu circul curent (jonciunea este blocat).

Cnd tensiunea de polarizare depete valoarea tensiunii de prag a jonciunii se

creeaz un cmp electric extern Eextcare strbate jonciunea de la P la Ni care

este contrar cmpului electric intern al jonciunii.Astfel jonciunea PN este parcurs

de un curent direct ID dinspre regiunea P spre regiunea N, curent care crete

exponenial cu tensiunea aplicat jonciunii.n figura 2.4 sunt prezentate cteva

situaii practice de polarizare a jonciunii PN unde se observ cum crete valoarea

curentului prin jonciune la creterea valorii tensiunii de alimentare a jonciunii.

NEint

Eext

E

ID

P

R



3/10


10

La polarizarea direct a jonciunii PN fenomenele se desfoar astfel(fig.2.3):

Minusu l surse ide alimentare fiind conectat la regiunea negativ Nresp inge

electroni i(care sunt sarcini negative i purttori majoritari in regiunea N) din

regiunea Nspre regiunea P (se formeaz curentu l de electroni). Tot borna

negativ a sursei de alimentare injecteaz un flux continuu de electroni ctreregiunea negativ Nprin circuitul exterior;

Sursa de alimentare ofer electronilor din regiunea N suficient energie ca

acetia s strbat regiunea de barier i s ajung n regiunea P. Cnd

electronii liberi ajung n aceast regiune nu mai au suficient energie s se

combine cu golurile din regiunea Pi sunt atrai de borna pozitiv a sursei de

alimentare. Pe msur ce electronii prsesc regiunea Pi se ndrept spre

borna pozitiv a sursei de alimentare prin circuitul exterior, n regiunea Pnumrul de goluri crete;

Golurile din regiunea P strbat jonciunea PN i ajung n regiunea N (se

formeaz curentu l de golur i). Deoarece numrul de goluri care strbat

jonciunea este mai mare dect numrul de electroni curentul de goluri

formeaz curentul direct IDcare strbate jonciunea PN de la P spre N;

n concluzie, jonciunea PN la polarizare direct este strbtut de un

curent d irect de la regiun ea P spre regiun ea N; Deoarece numrul de electroni i goluri care ptrund n zona de barier cresc,

scad numrul de ioni pozitivi i negativi din zona de barier (electronii se

combin cu golurile). Aceast scdere duce la ngustarea regiunii de barier i

produce la capetele jonciunii PN o cdere de tensiune egal cu potenialul de

barier (tensiunea de prag).

Figura 2.3 Deplasarea fluxurilor de purttori la polarizarea direct a jonciuniiPN



4/10


11

Figura 2.4 Msurarea tensiunii i a curentului la polarizarea direct a jonciuniiPN

Prin reprezentarea grafic a valorilor obinuten montajele din figura 2.4se obine

caracteristica statica jonciunii PNpentru polarizarea direct(fig. 2.5).

Figura 2.5 Caracteristica static ajonciuniiPN pentru polarizarea direct

U U

0,7V

A

B

C

D

0

I

A B

C D



5/10


12

2.3 POLARIZAREA INVERS A JONCIUNII PN

La polarizarea invers borna plus (+) a sursei de alimentare se conecteaz la

regiunea Na jonciunii PN iar borna minus (-)a sursei se conecteaz la regiunea P

a jonciunii PN. Jonciunea se conecteaz n serie cu un rezistor R care limiteaz

valoarea curentului prin circuit pentru a nu deteriora jonciunea.

Figura 2.6 Polarizarea inversa jonciunii PN

La polarizarea direct a jonciunii PN borna pozitiv a sursei de alimentare atrage

electronii din regiunea N spre captul din dreapta a regiunii iar n regiunea de barier

spre regiunea N apar ioni pozitivi suplimentari. n acelai timp borna negativ a

sursei de alimentare genereaz electroni liberi care se deplaseaz prin regiunea P

spre regiunea de blocare unde creeaz un surplus de ioni negativi.

n acest mod crete limea zonei de blocareiar purttorii majoritari scad semnificativ

pn cnd potenialul regiunii de blocare ajunge la valoarea tensiunii sursei de

alimentare E. Din acest moment curentul prin jonciune dispare aproape complet, cu

excepia unui curent invers foarte mic.

n concluzie, polarizarea invers a jonciunii PN determin apariia unui cmp electric

extern Eext mai mare i de acelai sens cu cmpul electric intern Eint, care se

ndreapt de la zona N spre zona P, care mpiedic deplasarea purttorilor de

sarcin majoritari dar favorizeaz deplasarea purttorilor de sarcin minoritari. Aceti

purttori de sarcin prin deplasarea lor formeaz curentu l inverscare este foarte

mic i este independent de valoarea tensiunii de alimentare. Valoarea curentului

invers depinde numai de temperatura jonciunii.

Eext

E

IINV

P

R

Eint

N



6/10


13

n figura 2.7sunt prezentate cteva situaii practice de polarizare invers a jonciunii

PN iar n figura 2.8 este prezentat caracteristica static a jonciunii PN pentru

polarizarea invers.

Figura 2.7 Msurarea tensiunii i a curentului la polarizarea invers a jonciuniiPN

Figura 2.8 Caracteristica static a jonciuniiPN pentru polarizarea invers

USTRreprezint tensiunea invers de strpungere a jonciunii PN (n acest caz 50V)

UINV

U

ABC

D

0

IINV

A B

C D



7/10


14

n figura 2.9 este reprezentat graficul caracteristicii statice complete a jonciunii PN.

Figura 2.9 Caracteristica static a jonciunii PN

Caracteristica static a jonciunii PN este reprezentarea grafic a relaiei tensiune

curent ce caracterizeaz aceast jonciune. n figura 2.9 este reprezentat graficul

complet al caracteristicii statice n ambele situaii de polarizare.

ZONA I corespunde polarizrii directe cnd jonciunea PN permite trecereacurentului electric prin ea. Jonciunea se deschide i permite trecerea curentului

electric cnd tensiunea pe jonciune depete tensiunea de prag (Up).

n aceast zon de funcionare jonciunea are urmtoarele caracteristici:

Tensiunea la bornele jonciunii este aproximativ constant n jurul valorii

tensiunii de prag i nu crete odat cu tensiunea de alimentare;

Curentul prin jonciune are valoare mare i este dependent de valoarea

rezistorului conectat n serie cu jonciunea; Rezistena electric a jonciunii este foarte mic.

UD

[V]

0,7V

ID

[mA]

UINV

UST

0

IINV

[A]

U

ZONA I

ZONA II

ID max

IINV max

IINV



8/10


15

ZONA II corespunde polarizrii inverse cndjonciunea PN nu permite trecerea

curentului electric prin ea. Jonciunea este blocat iar curentul care circul prin

jonciune este foarte mic i depinde doar de temperatura jonciunii i natura

semiconductorului. Acest curent numit i curent invers este de ordinulnanoamperilor (10-9A) pentru Si i de ordinul microamperilor (10-6A) pentru Ge. n

aceast zon de funcionare jonciunea are urmtoarele caracteristici:

Tensiunea la bornele jonciunii este aproximativ egal cu valoarea tensiunii de

alimentare crete odat cu aceasta;

Curentul prin jonciune are valoare foarte mic i nu depinde de valoarea

tensiunii de alimentare att timp ct acesta nu depete valoare tensiunii de

strpungere a semiconductorului; Rezistena electric a jonciunii este foarte mare.

La extremitile celor dou zone se gsesc zonele care limiteaz funcionarea

jonciunii PN n parametrii normali, astfel:

La extremitatea zonei I cnd jonciunea este polarizat direct dac se

depete valoare curentulu i direct maxim (ID max) jonciunea se

supranclzete i se distruge. Pentru a preveni aceast situaie se calculeazcorect rezistena i puterea electric a rezistorului care se conecteaz n serie

cu jonciunea. Aceast valoare se calculeaz n funcie de valoarea tensiunii

de alimentare i a curentului maxim admis prin jonciune;

La extremitatea zonei II cnd jonciunea este polarizat invers dac se

depete valoare tensiunii de strpungere (UST) curentul prin jonciune

crete foarte mult fapt care duce la supranclzirea i distrugerea jonciunii.

Pentru a preveni aceast situaie se urmrete ca valoarea tensiunii de

alimentare s nu depeasc valoarea tensiunii de strpungere pentru care a

fost proiectat jonciunea, n situaia n care jonciunea este polarizat invers.



9/10


16

REZUMATUL CAPITOLULUI

Jonciunea PNeste o structur fizic obinut prin doparea unui monocristal

semiconductor pur cu impuriti trivalente i pentavalente.

Jonciunea PN reprezint zona de contact dintre dou regiuni vecine, una de

tip Pi una de tip N.

Jonciunea PN are trei regiuni: dou regiuni neutre de tip pi de tip nntre

care se afl o regiune de trecere numit i regiune de blocare sau regiune

golit.

Prin polarizarea jonciunii se nelege alimentarea cu tensiune a jonciunii

prin conectarea celor dou regiuni neutre P i N la bornele unei surse de

tensiune continu.

La polarizarea directregiunea Pse conecteaz la borna pozitiva sursei

iar regiunea Nse conecteaz la borna negativa sursei de alimentare.

Lapolarizarea inversregiunea Pse conecteaz la borna negativa sursei

iar regiunea Nse conecteaz la borna pozitiva sursei de alimentare.

Tensiunea de prag (potenialul de barier) reprezint tensiunea minim la

care jonciunea permite la polarizarea direct trecerea curentului electric.

La cristalul de siliciu tensiunea de prag este 0,6 1,2 V iar la cristalul de

germaniu tensiunea de prag este 0,20,6 V.

La polarizarea direct a jonciunii PN regiunea golit se ngusteaz iar la

polarizarea invers regiunea golit se lrgete.

Cnd se polarizeaz o jonciune se conecteaz n circuitul electric n serie cu

un rezistor care are rolul de a limita curentul electric prinjonciune.

La polarizarea direct rezistena electric a jonciunii este foarte mic i n

momentul n care tensiunea pe jonciune depete tensiunea de prag prin

jonciune circul un curentmare (numit i curent direct)dinspre zona Psprezona N.

La polarizarea invers rezistena electric a jonciunii este foarte mare iar prin

jonciune circul un curent foarte mic(numit i curent invers)dinspre zona N

spre zona P.

Pentru a preveni deteriorarea jonciunii PN se ine cont de valoarea maxim a

curentului direct i valoarea tensiunii inverse maxime ( tensiune de

strpungere).



10/10


17

EVALUAREA CUNOTINELOR

I ncercuiete varianta de rspuns corect.

1. Jonciunea PN se formeaz la:

a. Recombinarea electronilor cu golurile;

b. Ciocnirea unui neutron i proton;

c. Limita de separare ale semiconductoarelor de tip P i tip N.

2. Regiunea golit const n:

a. Purttori majoritari;

b. Purttori minoritari;

c. Ioni pozitivi i negativi.

3. Polarizarea nseamn:

a. Intensitatea curentului ce strbate jonciunea;b. Tensiunea electricdintre zonele P i N ale jonciunii PN;

c. Tensiunea electric continu aplicat la zonele P i N ale jonciunii.

4. Tensiune de prag reprezint:

a. Tensiunea minim la care jonciunea permite trecerea curentului;

b. Tensiunea minim la care jonciunea blocheaz trecerea curentului;

c. Tensiunea maxim la care jonciunea permite trecerea curentului.

5. La polarizarea direct a jonciunii PN:a. Borna pozitiv a sursei de alimentare se conecteaz la zona N;

b. Borna pozitiv a sursei de alimentare se conecteaz la zona P;

c. Borna pozitiva a sursei de alimentare se poate conecta la orice zon.

6. La polarizarea invers a jonciunii PN:

a. Borna pozitiv a sursei de alimentare se conecteaz la zona N;

b. Borna pozitiv a sursei de alimentare se conecteaz la zona P;

c. Borna pozitiva a sursei de alimentare se poate conecta la orice zon.

7. La polarizarea direct a jonciunii PN:

a. Curentul prin jonciune este mare i tensiunea pe jonciune este mic;

b. Curentul prin jonciune este mic i tensiunea pe jonciune este mare;

c. Curentul i tensiunea sunt mari.

8. La polarizarea invers a jonciunii PN:

a. Curentul prin jonciune este mare i tensiunea pe jonciune este mic;

b. Curentul prin jonciune este mic i tensiunea pe jonciune este mare;

c. Curentul i tensiunea sunt mari.


Documents

2Jonctiunea PN