Cap.3. Joncţiunea P-n

DCE - Cap.3. JONCŢIUNEA p-n

Cap.3. JONCŢIUNEA p-n

Majoritatea dispozitivelor conţin atât regiuni p cât şi regiuni n în acelaşi cristal.Definiţie: Regiunea în care se face trecerea de la p la n se numeşte joncţiune p-n.

După modul în care variază concentraţia efectivă a impurităţilor (N=Nd-Na) la trecerea dintr-o regiune în cealaltă, joncţiunile pot fi abrupte sau gradate.

Un caz particular de joncţiune gradată îl constituie joncţiunea gradată liniar (fig. 3.1.c), la care concentraţia efectivă variază liniar: N=Nd-Na=a*x, unde a este o constantă (gradientul concentraţiei). Dacă trecerea de la p la n se face pe distanţă mare, avem de-a face cu un semiconductor neomogen. Marea majoritate a dispozitivelor semiconductoare conţin una sau mai multe joncţiuni. Cel mai simplu dispozitiv electronic, realizat cu o singură joncţiune este dioda semiconductoare. Dioda semiconductoare nu este acelaşi lucru cu joncţiunea p-n. Există diode semiconductoare realizate pe baza contactului metal-semiconductor. În plus o diodă conţine, pe lângă eventuala joncţiune p-n, şi alte structuri, cum ar fi: contactele ohmice, sistemele de prindere şi de evacuare a căldurii etc.

3.1. JONCŢIUNEA p-n LA ECHILIBRU TERMIC

O joncţiune nu poate fi realizată prin punerea în contact mecanic a unui cristal de tip p cu altul de tip n, deoarece oricât de fin ar fi prelucrate suprafeţele ce vin în contact, ansamblul astfel format are două reţele cristaline independente, iar în zona contactului apar o mulţime de defecte ce împiedică mişcarea purtătorilor de sarcină şi măresc foarte mult viteza de recombinare.Să presupunem că am putea obţine o joncţiune abruptă prin contact mecanic. Imediat după realizarea contactului la interfaţă, concentraţiile de purtători au un gradient foarte mare, datorită

Fig. 3.1

17


căruia unele goluri din p difuzează în n (fig. 3.2.a). La interfaţă, concentraţia are un gradient infinit datorită căruia unele goluri din regiunea p difuzează în n, iar electronii invers. Ca urmare a acestei difuzii în vecinătatea interfeţei, concentraţiile de purtători mobili devin mult mai mici decât concentraţiile impurităţilor ionizate. În final rezultă abateri de la neutralitatea electrică; în zona p, plecând goluri şi sosind electroni, apare sarcina spaţială negativă. Sarcina apărută generează câmp electric E de la (+) la (-), câmp care se opune difuziei. După realizarea echilibrului termodinamic curentul de difuzie va fi egal şi de semn opus celui de câmp.

În figura 3.2.b este reprezentată concentraţia impurităţilor; în figura 3.2.c este reprezentată concentraţia golurilor; în figura 3.2.d este reprezentată concentraţia electronilor; în figura 3.2.e sarcina spaţială pozitivă este egală în valoare absolută cu cea negativă; în figura 3.2.f în afara regiunii cu sarcină spaţială , câmpul electric E este nul.

Regiunea în care există sarcină spaţială şi câmp electric se numeşte regiune de tranziţie. Regiunile fără sarcină spaţială se numesc regiuni neutre. Suprafaţa între p şi n (adică porţiunea în care concentraţia efectivă de impurităţi este nulă - Na=0) se numeşte joncţiune metalurgică. Prin joncţiune p-n se înţelege atât regiunea de tranziţie, precum şi cele două regiuni neutre.

În figura 3.2.g apare bariera de potenţial de mărime Uo. Uo a fost reprezentat luând ca referinţă regiunea p. Câmpul din barieră are tendinţa să treacă golurile din n în p.

Deci energia golurilor din p este mai mică decât în n. Pentru ca golurile majoritare din p să treacă în n, trebuie să posede o energie suficient de mare pentru a învinge bariera de potenţial. Având în vedere distribuţia statistică după energie, va exista în regiunea p lângă zona de tranziţie un anumit număr de goluri cu energie suficient de mare pentru a putea traversa bariera.

Grosimea regiunii de tranziţie este foarte mică în comparaţie cu regiunea transversală (de aceea considerăm numai variaţia după Ox). Deoarece în regiunea de tranziţie în jurul zonei metalurgice concentraţia impurităţilor este apropiată de cea intrinsecă, rezultă că în această porţiune sarcina spaţială este determinată practic doar de impurităţile ionizate. De aceea, se presupune că în regiunea de tranziţie nu avem concentraţii de purtători faţă de cele ale impurităţilor.

Presupunem că regiunea de tranziţie este golită de purtători; deci rămân numai impurităţile ionizate. Această aproximaţie se numeşte aproximaţie de golire. În această ipoteză sarcina spaţială are o distribuţie rectangulară (fig. 3.3) şi lp0*Na=ln0*Nb, unde lp0, ln0 sunt adâncimile pe care se

18


întinde . Această relaţie reprezintă neutralitatea globală a semiconductorului şi indică pătrunderea mai accentuată a regiunilor de sarcină spaţială în zona mai slab dopată. l0=lp0+ln0=0.1mm

Un caz particular de dopare a joncţiunii p-n este dat de profilul asimetric, iar joncţiunea se numeşte abruptă unilaterală (fig. 3.4). Această joncţiune se întâlneşte la semiconductoarele la care una din regiuni este mult mai dopată ca cealaltă şi se notează cu p+n (p este mai puternic dopat). La aceste joncţiuni regiunea de tranziţie se extinde practic numai în regiunea slab dopată: l0@ln0. Într-o astfel de joncţiune toate fenomenele electrice sunt dependente numai de concentraţia de impurităţi din regiunea slab dopată.

Fig. 3.3 Fig. 3.4

Pentru joncţiunea gradată liniar variaţia concentraţiei impurităţilor se aproximează liniar în jurul joncţiunii metalurgice: Nd-Na=a*x, unde a este o constantă (fig. 3.5.a şi fig. 3.5.b). Pentru joncţiunile reale gradate neliniar variaţiile sunt neliniare ca în figura 3.6.. Fig. 3.5.a Fig. 3.5.b Fig. 3.6

3.2. JONCŢIUNEA p-n ÎN REGIM STAŢIONAR3.2.1. Joncţiunea p-n polarizată

Aplicând prin intermediul unor contacte pe extremităţile regiunilor neutre o tensiune joncţiunii, echilibrul termodinamic este perturbat. Prin joncţiune va trece un anumit curent. Regiunile p şi n au conductivitate mare, astfel încât căderea de tensiune de pe ele poate fi neglijată. Întreaga tensiune aplicată din exterior se regăseşte pe regiunea de tranziţie având ca efect modificarea înălţimii barierei de potenţial. Se modifică şi dimensiunile regiunii de tranziţie precum şi concentraţia purtătorilor.

19

mic

fluxuri mari

e-

g(+)

maree-

fluxuri mici


Fig. 3.7 Fig. 3.8

Să considerăm că se aplică joncţiunii o tensiune cu minusul pe regiunea p şi plusul pe n. Înălţimea barierei va creşte cu |Ua| (fig. 3.7). Ca urmare numărul de purtători majoritari care vor escalada bariera scade. Tensiuni foarte mici aplicate cu această polaritate sunt suficiente pentru a bloca scurgerea purtătorilor majoritari în joncţiune. Se constată că acest curent este limitat la valoarea de saturaţie Is. Polarizarea aceasta se numeşte inversă deoarece determină absenţa conducţiei. Fizic, la polarizare inversă purtătorii majoritari sunt îndepărtaţi de regiunea de tranziţie care se măreşte, devenind un izolator.

Când se aplică joncţiunii tensiunea cu (+) pe regiunea p şi (–) pe n, bariera de potenţial se micşorează cu valoarea acestei tensiuni (fig. 3.8). Regiunea p neutră va injecta prin regiunea de tranziţie goluri în regiunea n neutră. Golurile injectate difuzează în n şi se recombină cu electronii majoritari. Similar şi regiunea n va injecta electroni în p şi curenţii se adună corespunzător. Curentul purtătorilor injectaţi este alimentat de purtătorii majoritari din regiunile neutre şi de aceea poate lua valori foarte mari (trebuie limitat din exterior cu rezistenţe sau alte dispozitive). Această polarizare se numeşte directă. Fizic, tensiunea directă împinge purtătorii majoritari din regiunile neutre în regiunea de tranziţie.

Concluzie: Joncţiunea p-n are o caracteristică de dispozitiv unidirecţional (de redresor). Prin convenţie se consideră tensiunea directă şi curenţii direcţi cu semne pozitive, iar cei inverşi cu semne negative (fig. 3.9).

3.2.2. Caracteristica statică idealizată a joncţiunii p-n

Când se aplică joncţiunii o tensiune ea se află în stare de injecţie sau extracţie. Perturbarea se extinde pe o anumită adâncime şi în regiunile neutre, dar datorită fenomenelor de generare şi recombinare scade pe măsura depărtării de zona de tranziţie. La o distanţă mai mare decât lungimea de difuzie perturbarea nu se mai simte.

În studiul caracteristicii statice se fac următoarele aproximaţii şi presupuneri:1) aproximaţia de golire (la o joncţiune abruptă);2) presupunem că întreaga tensiune aplicată cade pe regiunea de tranziţie;3) se neglijează fenomenele de generare şi recombinare din regiunea de tranziţie;4) presupunem că ne aflăm la nivele mici de injecţie; aceasta presupune că injecţia de

purtători minoritari se face într-o măsură care permite neglijarea concentraţiei purtătorilor minoritari faţă de cele ale purtătorilor majoritari;

5) presupunem că joncţiunea este groasă faţă de lungimea de difuzie şi din acest motiv purtătorii minoritari se recombină în totalitate înainte de a atinge extremităţile joncţiunii.

Curentul prin joncţiune se va obţine ca o sumă a curenţilor de difuzie a purtătorilor minoritari la limitele regiunii de tranziţie. De aceea este numit uneori curent de difuzie şi are expresia dedusă de Shockley: Ia=Is*[exp(q*Ua/KT)-1], unde Is este curentul de saturaţie (rezidual). Această formulă este valabilă atât pentru polarizările directe, cât şi pentru cele inverse.

În regim de conducţie directă (Ua>0) curentul creşte exponenţial. În domeniul Ua>4*(KT/q)=0.1V (la 300ºK) acel “-1” din formulă se poate neglija faţă de termenul exponenţial. Se obţine astfel expresia simplificată a ecuaţiei lui Shockley: Ia@Is*exp(q*Ua/KT).

Obs: Formula lui Shockley este valabilă numai pentru tensiuni directe inferioare lui Uo.

La polarizări inverse, în valori absolute mai mari de 0.1V termenul exponenţial este neglijabil faţă de unitate, astfel încât Ia= -Is. Această

20

Fig. 3.9

Fig. 3.10Fig. 3.11


valoare reprezintă curentul maxim de purtători ce poate fi extras din regiunile neutre şi se numeşte curent de saturaţie sau curent rezidual.La germaniu Is este între 1 şi 100 mA (relativ mare!), la siliciu Is<1nA.

3.2.3. Abateri de la caracteristica statică idealizată a joncţiunii p-n

În figura 3.11 se arată caracteristica statică reală a unei joncţiuni. În conducţie inversă apar 2 regiuni:

- regiunea II, în care curentul are o creştere uşoară cu modulul tensiunii aplicate; la joncţiunile de Ge creşterea este foarte slabă, astfel încât fenomenul de saturaţie este evident (curentul de saturaţie este mare:1..100 mA); la joncţiunile de Si şi Ga-As creşterea este atât de pronunţată, încât fenomenul de conducţie nici nu poate fi observat (Isat este foarte mic la Si: sub 1nA)

- regiunea I, în care curentul creşte brusc cu tensiunea inversă, joncţiunea pierzându-şi caracterul de dispozitiv unidirecţional. Fenomenul este numit străpungerea joncţiunii, iar tensiunea la care apare (tensiunea de străpungere) este cuprinsă între câţiva volţi şi câteva sute de volţi. În regim de conducţie directă se pot distinge 4 regiuni:

- la tensiuni mici, dar întrecând de câteva ori tensiunea termică, caracteristica statică poate fi aproximată în forma din regiunea III:

IA » exp(qUA / (mKT)), unde m este un coeficient cuprins între 1 şi 2.- la tensiuni ceva mai mari, dar mai mici decât Uo (IV) curentul variază aproape după

ecuaţia idealizată; - la tensiuni mai mari decât Uo (regiunea V) curentul creşte din nou ceva mai lent cu

tensiunea (regiunea III);- în fine, la tensiuni directe foarte mari (regiunea VI) curentul ajunge proporţional cu

tensiunea.Abaterea caracteristicilor reale de la ecuaţia idealizată are următoarele cauze:- generarea şi recombinarea purtătorilor în regiunea de tranziţie;- pătrunderea în domeniul nivelelor mari de injecţie;- efectul tunel;- rezistenţa serie a regiunilor neutre;- multiplicarea prin avalanşă;- efecte de suprafaţă.Toate aceste efecte nu au fost luate în considerare la deducerea ecuaţiei idealizate. Ne vom

ocupa de ele în continuare.Abaterile joncţiunilor reale de la caracteristica idealizată în regiunile II şi III pot fi explicate

prin luarea în considerare a proceselor de generare-recombinare în regiunea de tranziţie. În

21


polarizare inversă, concentraţiile purtătorilor în regiunea de tranziţie fiind mult mai mici decât cele de echilibru, va predomina generarea purtătorilor. Purtătorii generaţi termic sunt trecuţi imediat de către câmpul existent în barieră: electronii în regiunea n neutră, iar golurile în regiunea p neutră. În consecinţă, pe lângă curentul de saturaţie a purtătorilor minoritari (Is) va apare încă un curent cauzat de fenomenul de generare în regiunea de tranziţie Igen, având acelaşi sens cu primul.

IA = -(Is+Igen) va fi curentul total prin joncţiunea polarizată invers. Semnul (-) apare datorită convenţiei de semn făcute. Igen (deci şi Is) creşte cu valoarea tensiunii inverse datorită creşterii volumului regiunii de tranziţie. Raportul celor 2 componente ale curentului invers este: Is / Igen»ni (concentraţia intrinsecă). Rezultă că pentru un material dat ponderea curentului de generare scade cu creşterea temperaturii; peste o anumită temperatură efectul generării poate fi neglijat. Pe de altă parte, la o temperatură dată, ponderea Igen este mai mică la materiale cu concentraţie intrinsecă ni mai mare. Spre exemplu, comparând joncţiunile de Si cu cele de Ge, constatăm că la cele de Si, Igen are o pondere de aproximativ 1000 mai mare. La temperatura ambiantă, la joncţiunea de Si curentul Igen depăşeşte Is.

În regim de conducţie directă, concentraţiile purtătorilor în zona de tranziţie sunt mai mari decât la echilibru şi vor predomina procesele de recombinare.

Efecte la nivele mari de injecţie

Când tensiunea directă aplicată joncţiunii este apropiată de înălţimea barierei Uo, concentraţiile purtătorilor minoritari injectaţi în regiunile neutre ajung de ordinul concentraţiilor purtătorilor majoritari; joncţiunea intră în domeniul nivelelor mari de injecţie. În aceste condiţii nu se mai poate neglija componenta de câmp a purtătorilor minoritari.

Un alt efect de care trebuie să se ţină seama la nivele mari de injecţie îl constituie căderile de tensiune pe regiunile neutre. Când densitatea de curent ia valori mari, aceste căderi de tensiune reprezintă o proporţie importantă din tensiunea aplicată, nemaiputând fi neglijată. Tensiunea ce revine regiunii de tranziţie va fi deci mai mică decât tensiunea aplicată din exterior. Domeniul nivelelor mari de injecţie începe la o densitate de curent de ordinul a 1A/mm2.

Este posibil ca la unele joncţiuni de Si (la care curentul de recombinare predomină la tensiuni directe mari) să nu se observe regiunea în care curentul prin joncţiune ascultă de ecuaţia idealizată. Efectul suprafeţei semiconductorului asupra componentei de generare-recombinare a curentului este evident, atât datorită întreruperii periodicităţii reţelei, cât şi impurităţilor inevitabile care apar la suprafaţa semiconductorului. Acest curent va creşte şi trebuie făcută observaţia că este important la multe dispozitive semiconductoare de larg consum ale căror grad de prelucrare a suprafeţei nu este prea avansat. Aceasta poate duce la creşterea excesivă a curenţilor inverşi şi la instabilitatea în timp a caracteristicilor statice.

3.2.4. Dependenţa de temperatură a caracteristicii statice

Curentul prin joncţiune este influenţat de temperatură pe două căi: - prin curentul de saturaţie;- prin tensiunea termică UT = KT / q, ce apare în argumentul exponenţialei.

Influenţa temperaturii asupra joncţiunii este caracterizată prin trei coeficienţi pe care îi vom defini în continuare.

a) În domeniul polarizărilor inverse, IA = -IS, temperatura are ca efect translatarea caracteristicii statice după axa verticală. Se defineşte un coeficient de temperatură al IS:

CT IS = (1 / IS)*(dIS / dT). Datorită componentei de extracţie pt. Is Þ CT IS = 0,1 (K)-1

pentru

Ge şi 0,15 (K)-1

pentru Si. Pe baza acestor valori se găseşte că în jurul temperaturii ambiante Is îşi dublează valoarea la o creştere a temperaturii cu 7K în cazul Ge şi cu 4,5K în cazul Si. Ţinând cont şi de scurgerile superficiale şi de procesele de regenerare în regiunea de tranziţie (care variază

22


mai puţin cu temperatura), rezultă că dublarea Is are loc atât la Ge cât şi la Si pentru o creştere a temperaturii cu 8…10K.

b) În conducţia directă se defineşte un prim coeficient de temperatură al curentului direct la tensiune constantă:

(CT IA)u = (1 / IA)*(dIA / dT) = (CTIs)-(1 / T)*(qUA / KT) (deci mai mic decât CTIs).

Fig. 3.12

c) Într-un alt regim de lucru se poate menţine curentul direct prin joncţiune constant, rezultând o scădere a tensiunii pe joncţiune la creşterea temperaturii. Pentru a caracteriza influenţa temperaturii în acest caz, se defineşte un coeficient de temperatură al tensiunii pe joncţiune (CTUA)I.

În cazul unei joncţiuni de Ge, la 300K, având UA=0,2V rezultă (CTUA)I=-1,8*10-3V/K. În cazul unei joncţiuni de Si având UA=0,6V rezultă (CTUA)I=-2,2*10-3V/K.

Acest coeficient variază lent cu temperatura, aşa încât, pentru un domeniu restrâns de temperatură, se poate considera că tensiunea directă pe joncţiune la curent constant scade liniar cu temperatura. În jurul temperaturii ambiante, atât la Ge cât şi la Si se poate considera un coeficient (CTUA)I»-2mV/˚K. Este important de reţinut că influenţa temperaturii asupra joncţiunii este mult mai mică la curent constant decât la tensiune constantă.Observaţie: Temperatura T trebuie măsurată la joncţiunea (Tj); ea este de regulă mai mare decât temperatura ambiantă (Ta), datorită disipării de putere electrică (Pd = Ua*Ia): Tj = Ta + Rthj-a*Pd. Coeficientul de proporţionalitate Rthj-a se numeşte rezistenţă termică şi înglobează proprietăţile de conducţie a căldurii de la joncţiune la mediul ambiant.

Un alt parametru al caracteristicii statice dependent de temperatură este tensiunea de străpungere.

3.2.5. Străpungerea joncţiunii p-n

Când tensiunea inversă aplicată unei joncţiuni depăşeşte o anumită valoare limită, curentul prin joncţiune creşte foarte repede cu tensiunea, atingând valori mari: are loc străpungerea joncţiunii.

Există trei mecanisme de străpungere: ambalarea termică, tunelarea şi multiplicarea prin avalanşă. Ultimele două mecanisme au la bază creşterea câmpului electric din regiunea de tranziţie odată cu creşterea tensiunii inverse.

Ambalarea termică decurge în felul următor: curentul invers disipă o anumită putere în joncţiune determinând creşterea temperaturii; la rândul ei, creşterea de temperatură determină o creştere a curentului invers ş.a.m.d. În anumite condiţii procesul poate fi cumulativ conducând la mărirea temperaturii până la o valoare la care joncţiunea se distruge. Ambalarea termică se

23


manifestă numai la joncţiunile care au curent de saturaţie mare, spre exemplu, joncţiuni de Ge deasupra temperaturii ambiante. La joncţiunile de Si, în tot domeniul de temperaturi de interes practic, nu apare ambalarea termică.

Străpungerea prin efect tunel Prima explicaţie a străpungerii joncţiunii s-a dat pe baza efectului tunel (Carl Zener, 1934)

şi mai apoi s-a constatat că de cele mai multe ori rolul de bază în străpungerea joncţiunilor îl are un alt proces, şi anume multiplicarea prin avalanşă, rolul efectului tunel fiind secundar.

Numim regiune Zener zona de străpungere a joncţiunii. Efectul tunel constă în generarea de perechi electron-gol într-un semiconductor sub acţiunea câmpului electric puternic.

La tensiuni inverse mari, benzile de energie au o înclinare mare în regiunea de tranziţie şi limita inferioară a B.C. din regiunea n coboară sub limita superioară a B.V. din regiunea p. În această situaţie electronii B.V. pot trece în B.C. prin efect tunel. Din punctul de vedere al fizicii clasice, electronul din A poate trece în C numai dacă primeşte o energie cel puţin egală cu înălţimea barierei. Mecanica cuantică arată că există o anumită probabilitate ca electronul să treacă de barieră chiar dacă energia lui

este Fig. 3.13 mai mică decât înălţimea barierei. Probabilitatea este cu atât mai mare cu cât înălţimea AB este mai mare şi AC mai mică. Întinderea barierei scade cu creşterea înclinării benzilor, deci cu creşterea câmpului din regiunea de tranziţie. Joncţiunea se

străpunge pentru câmpuri mai mari de 5*107 V/m. Câmpuri atât de mari se ating la joncţiuni puternic dopate de ambele părţi, la care regiunea de tranziţie pe care se repartizează tensiunea exterioară este foarte mică. Tensiunea la care apare efectul de tunel scade cu creşterea temperaturii, deoarece E scade şi ea. În consecinţă, aceeaşi densitate de curent se atinge la temperatură mai mare, aplicând joncţiunii o tensiune mai mică.

Multiplicarea în avalanşă Între două ciocniri succesive, purtătorii sunt acceleraţi de câmp câştigând energie cinetică.

La polarizări inverse câmpul poate deveni atât de mare încât între două ciocniri succesive, energia acumulată de un purtător poate depăşi E. Un astfel de purtător ciocnind un atom al reţelei poate furniza unui electron de valenţă energia necesară pentru a trece în BC. Astfel apare o pereche electron-gol iar procesul se numeşte ionizare prin şoc. Purtătorii sunt acceleraţi de câmp şi pot da naştere la alte perechi electron-gol. Rezultă posibilitatea multiplicării în avalanşă a purtătorilor.

Câmpul la care apare multiplicarea în avalanşă este de aproximativ 2*107 V/m, mai mic deci decât cel la care efectul Zener devine important. Important este faptul că ambele categorii de purtători pot produce ionizări prin şoc.

Fenomenul de multiplicare prin avalanşă se poate caracteriza global prin coeficientul de multiplicare M definit ca raport între numărul purtătorilor ce ies din regiunea de tranziţie şi cel al celor ce intră în ea. Notăm cu Iinv curentul invers în absenţa multiplicării şi I’inv = M*Iinv - curentul invers după multiplicare.

M=I’inv / Iinv ; M= 1 / [1 - (UA / Ustr)] , unde nÎ[2,6]Străpungerea are loc când M tinde către infinit. Tensiunea de străpungere Ustr creşte cu

temperatura deoarece scade drumul mediu dintre două ciocniri succesive şi este necesar un câmp mai mare pentru ca un purtător să acumuleze între două ciocniri succesive energia E. De asemenea o străpungere prin avalanşă scade concentraţia impurităţilor de o parte şi de alta a joncţiunii metalurgice. La creşterea nivelului de dopare scade grosimea regiunii de tranziţie. Câmpul critic de apariţie a ionizărilor prin şoc se atinge la o valoare mai mică a tensiunii aplicate.

24


Străpungerea prin avalanşă necesită pe lângă depăşirea câmpului critic şi o anumită grosime a regiunii de tranziţie, pentru ca în ea purtătorii să sufere mai multe ciocniri. Când regiunea de tranziţie are o grosime apropiată de drumul mediu dintre două ciocniri succesive, nu mai poate avea loc străpungerea prin avalanşă şi atunci va avea loc efectul tunel.

Dacă doparea este sub 1023 atomi/m3 are loc străpungerea prin avalanşă. Când doparea este mai mare, străpungerea are loc prin efect tunel.

Joncţiunile care au tensiunea de străpungere mai mică de 4V se străpung prin efect tunel, iar cele cu Ustr mai mari de 7V se străpung prin avalanşă. Între 4V şi 7V participă ambele mecanisme.

Străpungerea prin efect tunel şi avalanşă nu este distructivă dacă curentul prin joncţiune este sub valoarea corespunzătoare puterii maxime disipate admisibilă.

3.2.6. Modele liniarizate pentru joncţiunea p-n în regim staţionar

Pentru calculul în regim staţionar, caracteristica statică a joncţiunii se aproximează prin segmente de dreaptă. Foarte răspândită este aproximaţia prin două segmente de dreaptă, ca în figura 3.14, unde Di este dioda ideală, Ri - rezistenţa internă, UD - tensiunea de deschidere.

Fig. 3.14Obs.: Cazul d (dioda ideală) este o bună aproximaţie pentru practică.La Ge : UD = 0.2…0.4 V Si : UD = 0.5…0.8 V Ga-As : UD = 1…2 VRi depinde foarte mult de domeniul curentului în care se aplică modelul.

Ex.: Ia=5mAÞ

3.3. JONCŢIUNEA p-n ÎN REGIM DINAMIC

Regimul dinamic reprezintă funcţionarea structurii în cazul aplicării unor semnale variabile în timp. Metoda cea mai folosită constă în stabilirea unor circuite electronice echivalente cu care să se înlocuiască joncţiunea în schema unde funcţionează. Circuitul echivalent nu este unic, el depinzând, de regulă, de specificul semnalului variabil aplicat.

3.3.1. Regimul cvasistaţionar al joncţiunii

Funcţionarea joncţiunii în regim staţionar este descrisă de ecuaţia lui Shockley sau de caracteristica statică. Este foarte normal să încercăm a descrie comportarea în regim variabil pe baza funcţionării în regim static. Dacă examinăm procesele ce au loc în joncţiune la trecerea dintr-o stare staţionară în alta, rezultă că o asemenea tratare (pe baza regimurilor staţionare) nu poate fi

25


acceptată decât la frecvenţe joase. Într-adevăr, o stare staţionară a joncţiunii este caracterizată de anumite dimensiuni ale regiunii de tranziţie - adică de o anumită sarcină existentă în barieră şi o anumită distribuţie a purtătorilor minoritari. Când se trece la o altă stare staţionară acestea se modifică. Ambele procese sunt legate de o variaţie de sarcină electrică şi cer un anumit timp.

Dacă timpul necesar joncţiunii pentru a trece dintr-o stare staţionară în alta este mult mai mic decât perioada semnalului, putem considera că în fiecare moment joncţiunea se află într-o stare staţionară. Un astfel de regim se numeşte regim cvasistaţionar, iar frecvenţa maximă până la care regimul poate fi considerat cvasistaţionar diferă de la un dispozitiv la altul. Deci pentru curent continuu şi frecvenţe joase se pot aplica modelele anterioare (regimul de curent continuu - de polarizare - se mai numeşte de semnal mare).

Semnalul aplicat unui dispozitiv este considerat mic atunci când caracteristicile statice ale dispozitivului pot fi aproximate liniar pentru întreaga excursie a punctului de funcţionare pe durata unei perioade. În cazul joncţiunii p-n condiţia de semnal mic este deosebit de restrictivă, caracteristica statică exponenţială putând fi considerată liniară numai pentru variaţii foarte mici de tensiune: UA << KT/[email protected].

În regim cvasistaţionar de semnal mic joncţiunea este echivalentă cu o rezistenţă r i = Ri. În c.c. se folosesc notaţii cu litere mari, iar în c.a. cu litere mici.ri = 1 / (dIa / dUa) » (KT / q)*(1 / Ia), numită rezistenţă internă. Ia reprezintă valoarea curentului în punctul static de funcţionare (PSF) la polarizare directă.

În cazul Ia = -Is, la polarizare inversă, rezistenţa internă teoretic este infinită, dar în practică are o valoare de aproximativ 1 MW la Si.

3.3.2. Capacitatea de barieră

26

Si

DAA RR

UEI

Si

aa Rr

ui

iSC r,RC

1X

Fig. 3.15.b

Fig. 3.15.a


Considerăm o joncţiune abruptă ideală, cu o tensiune aplicată Ua, la care corespunde linia continuă de pe figură pentru distribuţia de sarcină spaţială în regiunea de tranziţie în ipoteza golirii complete de purtători.

, Cb- capacitatea de barieră.

Regiunea de sarcină spaţială se micşorează când trecem de la Ua la Ua+dUa (respectiv curba punctată). Trecerea de la o stare la alta necesită deplasarea unui număr de purtători majoritari din regiunile neutre în zonele haşurate pentru neutralizarea sarcinilor, impurităţilor ionizate. Sarcina dQb a acestor purtători este aria haşurată. Dacă trecerea de la Ua la Ua+dUa se face într-un interval de timp dt, atunci curentul necesar pentru modificarea sarcinii stocate în regiunile de tranziţie va fi:

ib = dQb / dt = (dQb / dUa)*(dUa / dt); unde Cb= dQb / dUa; Ua constantă. Modelăm acest proces cu o capacitate Cb pusă în paralel cu Ri şi numită capacitate de barieră.

(pentru joncţiunea abruptă ideală)Cbo - reprezintă capacitatea de barieră pentru Ua=0; Cbo=1…10pF

În general .Această relaţie depinde de legea de variaţie a concentraţiei impurităţilor din regiunea de tranziţie.

3.3.3. Capacitatea de difuzie

Trecerea de la starea Ua la Ua+dUa necesită o creştere a sarcinii de purtători minoritari în exces în regiunile neutre.

Purtătorii sunt injectaţi prin regiunea de tranziţie şi apoi înaintează în adâncul regiunilor neutre prin difuzie.

Curenţii corespunzători variaţiei sarcinilor stocate în cele două regiuni neutre se adună.

Dacă timpul în care a avut loc variaţia de tensiune este dt, suma curenţilor va fi: id=dQd/dt=(dQd/dUa)*(dUa/dt) ; Cd=dQd/dUa ; dUa=ct ; Cd- capacitatea de difuzie.

Cd- la polarizări directe atinge mărimi de ordinul nF (102…104pF). Cd ~ Ia.

Fig. 3.17.a

27


Cdo- capacitatea de difuzie pentru Ua=0.

Există o deosebire fizică importantă între modurile în care se încarcă cele două capacităţi. Cea de difuzie Cd se încarcă prin difuzia minoritarilor, deci este un proces lent. Din această cauză, Cd scade cu frecvenţa. Capacitatea de barieră Cb se încarcă prin curentul de câmp al purtătorilor majoritari; este un proces foarte rapid şi nu variază cu frecvenţa.

3.3.4. Circuite echivalente pentru joncţiune la semnale mici şi frecvenţe înalte

În regim variabil, curentul prin joncţiune e format din trei componente: iri, iCd, iCb (fig. 3.18)rs - este rezistenţa electrică a zonelor neutre (~ 100 W)În funcţie de polarizare, se poate simplifica modelul :

- la polarizare directă (fig. 3.19)se neglijează Cb; (Cb<<Cd)

- la polarizarea inversă (fig. 3.20)se neglijează Cd şi rs

Dacă ri poate fi neglijată (ex.: într-un circuit oscilant pp. ri ) atunci rămâne doar -| |- (Cb).

3.4. TIPURI DE DIODE SEMICONDUCTOARE

3.4.1. Procedee de realizare a joncţiunii p-n. Tipuri de diode

Tipul de conductibilitate (p sau n) al unui semiconductor fiind determinat doar de concentraţia efectivă a impurităţilor N=Nd-Na, el poate fi schimbat prin introducerea de impurităţi corespunzătoare.

Spre exemplu, dacă într-un cristal având Nd=1021atomi/m3 se introduc acceptori cu o concentraţie mai mare Na=1022atomi/m3, cristalul de tip n devine p, având o concentraţie efectivă de acceptori N=(Nd-Na)=9*1021atomi/m3.

Dacă impurităţi de tip diferit se introduc numai într-o regiune a cristalului, la graniţa dintre aceasta şi restul cristalului apare o joncţiune p-n.

Cea mai veche metodă de realizare a unei joncţiuni este cea care a fost folosită la diodele cu contact punctiform (subcapitolul 3.4.4). Cea mai importantă metodă în anii '50 era metoda creşterii (la diodele redresoare cu Ge).

În prezent, pentru a schimba tipul de conductibilitate se folosesc: alierea (la Ge), difuzia planară (într-un gaz de impurităţi) la Si, epitaxia (realizarea semiconductorului într-o atmosferă de vapori de semiconductor şi impurităţi) la Si. Un procedeu modern la Si este implantarea ionică.

3.4.2. Diode redresoare3.4.2.1. Diode redresoare de uz general

Fig. 3.17.b

28

Fig. 3.18 Fig. 3.19

Fig. 3.20


Dioda semiconductoare este un dispozitiv electronic care prezintă conducţie unilaterală, pe baza unei joncţiuni p-n şi două contacte ohmice metal-semiconductor închise ermetic într-o capsulă.

Clasificarea diodelor după funcţiile îndeplinite:- diode redresoare (cele cu Si au practic o rezistenţă zero într-un sens şi infinită în celălalt);- diode de comutaţie (pentru frecvenţă înaltă – cu impurităţi Au);- diode stabilizatoare de tensiune – Zener;- diode speciale – varicap, tunel, IMPATT (Read, 1958), Gunn (1963);- fotodiode.

Avantajele diodelor semiconductoare faţă de cele cu gaz:- în conducţie directă căderea de tensiune e mai mică (1V faţă de 30…40V);- nu necesită circuit de încălzire;- sunt mai robuste;- au volum mic;- au durată mare de funcţionare.Parametrii diodelor redresoare:

- curentul mediu redresat: Io (mici: 1A; medii: zeci de A; mari: sute şi mii de A);- curent de vârf maxim admis: IVM, care poate fi: IFRM- curent direct maxim repetitiv;

IFSM- curent maxim direct accidental de suprasarcină;

- tensiunea inversă maximă admisă: UIM; UIM = (0.5...0.8) din Ustrăpungere Î(50...2000V);- tensiunea inversă: VR;- tensiunea inversă maximă: VRM;- tensiunea repetitivă inversă maximă: VRRM;- tensiunea inversă maximă de suprasarcină: VRSM;- tensiunea inversă maximă de lucru: VRWM;- căderea de tensiune directă VF pentru o anumită valoare a curentului (VF = 0.8| IF = 1A);- curentul invers pentru o anumită tensiune: IR;- rezistenţa termică ce caracterizează capacitatea diodei de a elimina puterea disipată spre mediul ambiant: Rth-a ; Rth-c;- temperatura maximă a joncţiunii: Tjmax.

Toţi parametrii sunt mai slabi la Ge decât la Si. Singurul avantaj la Ge este tensiunea VF

care este mai mică.Particularităţile constructive ale diodelor semiconductoare sunt determinate de faptul că ele

lucrează la curenţi mari, deci în joncţiune apare o cantitate mare de căldură care trebuie eliminată spre mediu. La diodele de curenţi mari se utilizează ceramica.

Exemple: în capsulă de plastic F126: 1N4001, DRD1; în sticlă: 1N4148 (comutaţie) etc.

3.4.2.2. Dioda cu avalanşă controlată

Se realizează prin metoda difuziei. Pastila este sudată între doi electrozi de molibden ca în

figură. Pentru curenţi mari se folosesc arcuri. Placheta a fost polizată înclinat pentru eliminarea zonelor periferice şi pentru crearea unei configuraţii avantajoase a câmpului electric la suprafaţa

joncţiunii. Astfel, câmpul electric la suprafaţă este mai mic decât în interiorul volumului (deoarece tensiunea se distribuie pe o distanţă mai mare la suprafaţă: E = U / d).

Fig. 3.21

29


Dioda poate funcţiona în regiunea de străpungere până la valori mari de curenţi, cu condiţia să nu depăşească puterea maximă admisă. Sunt în general folosite pentru protecţia altor dispozitive (tiristoare). Codificare: D10A4 (10 amperi, 400V).

Stratul slab dopat de tip p dintre n+ şi p+ conferă o tensiune de străpungere mare. Explicaţia o dăm pe următorul tip de diodă.

3.4.2.3. Dioda redresoare pin

Grosimea regiunii intrinsece este mai mică decât lungimea de difuzie (pentru a-şi păstra proprietăţile). În regiunea intrinsecă nu avem sarcină spaţială => un câmp constant.

Străpungerea regiunii intrinsece are loc pentru un câmp de Ecr = 2.107 V/m la o tensiune de Ustr = W.Ecr (W = lăţimea regiunii intrinsece; W = 0.1mm Þ Ustr = 2000V).

Ex. KYX30 – 30KV, 1mA care conţine 2 diode de 15KV.

3.4.2.4. Conectarea în serie şi în paralel a diodelor

Deşi există diode cu tensiuni inverse mari, capabile să redreseze curenţi mari, apar uneori situaţii când trebuie folosite mai multe diode în serie pentru a putea rezista la Umax inversă, sau pentru a asigura valoarea cerută a curentului redresat.

În conducţia inversă apare pericolul distribuirii neuniforme a tensiunii pe lanţul de diode generat de inegalitatea curenţilor inverşi.

Pe dioda ce are curentul invers cel mai mic, va cădea tensiunea U cea mai mare, care poate depăşi Uinv.max. şi dioda se va străpunge. Tensiunea se redistribuie pe celelalte diode =>se vor

Fig. 3.22

30


distruge toate. Pentru evitarea acestui lucru, montăm în paralel cu fiecare diodă câte o rezistenţă de egalizare a tensiunii inverse. Valoarea acestor rezistenţe Rp se alege mult mai mică decât rezistenţa inversă astfel încât divizarea tensiunii să se facă pe Rp, dar nu se pot alege valori prea mici pentru că rezultă pierderi.

Ex. PY88 se înlocuieşte pentru 5KV cu 7…10 diode BAY159 în paralel cu R=100KW.

Fig. 3.23Obs: La diodele cu avalanşă controlată nu sunt necesare rezistenţe de egalizare pentru că

intrarea în avalanşă e permisă până la curenţi relativ mari.La montarea în paralel a mai multor diode, dispersia caracteristicii inverse nu periclitează

funcţionarea. Dar dispersia caracteristicii directe, mai ales Udesch, conduce la o repartiţie inegală a curentului total pe diode. Neajunsul se înlătură punând în serie cu diodele câte o rezistenţă Rp.

Uniformizarea repartiţiei e mai bună cu cât Rp e mai mare, dar randamentul scade.

3.4.3. Diode stabilizatoare de tensiune (Zener)

Aceste diode utilizează proprietatea joncţiunii p-n de a avea în conducţie inversă o tensiune constantă la borne, independent de valoarea curentului când apare fenomenul de străpungere (fig. 3.24).

Fig. 3.24

31


La realizarea structurilor diodelor semiconductoare Zener, se iau măsuri speciale pentru ca în regiunea de străpungere curentul să se distribuie uniform pe toată aria secţiunii => diodele Zener lucrează până la curenţi de putere maximă admisă. Simboluri:

Valoarea tensiunii Zener este determinată de nivelul dopărilor: Uz = 2,7...400 V. Puteri: 0,25...50 W. rz = Ua / Ia; rz = 10…100 W - rezistenţă dinamică (internă) ZenerCTUz = aVZ = 1 / UzdUz / dTÎn regiunea de stabilizare: Uz prezintă o uşoară creştere cu curentul invers (Ia).

Exemplu: PL10Z Uz =10 V => avz = 5.10-4 (C)-1; PL5V1Z (5.1V,1W capsulă de plastic F126); DZ5V1 (5.1V, 0.4W capsulă de sticlă).

a vz poate fi micşorat înseriind cu dioda Zener, una sau mai multe diode polarizate direct, la care a scade cu temperatura. Se pun toate diodele pe aceeaşi plăcuţă pentru ca temperatura să nu difere între ele (fig. 3.26). Ex.: ZTC33 sau circuitul integrat TAA550.

Obs: În domeniul curenţilor mici descărcarea în avalanşă se amorsează şi se stinge haotic => zgomot. Tot în acest domeniu, tensiunea variază mult cu curentul. Nu se recomandă să se lucreze sub o anumită valoare IZT = 3...5 mA. Se poate folosi un model echivalent pentru dioda Zener (fig. 3.27).

Diodele Zener se folosesc ca stabilizatoare de tensiune (fig. 3.28). Rb este rezistenţa de limitare, protecţie sau de balast. Ea se alege astfel încât dioda să lucreze în regiunea Zener pentru întreg domeniul de variaţie a lui Ea şi Is. Curentul de sarcină Is nu poate depăşi în mod normal (pentru Us = Uz =constantă) valoarea pentru care se mai asigură IZT prin dioda Zener. I=Iz+Is; Ea=Rb*I+Uz.

Acest stabilizator de tensiune parametric, de tip paralel (dioda Zener este paralel cu sarcina Rs) are protecţie intrinsecă la scurtcircuit d.p.d.v. al diodei Zener. Pentru Us=0 rezulta Iz=0. Este

Fig. 3.25

Fig. 3.28Fig. 3.27

32

Fig. 3.26

VZ1


cel mai greu regim de lucru pentru Rb care se dimensionează la puterea maximă disipată (Ea*Ea/Rb).

Pentru ca Iz < Izmax => Rb>(Eamax-Uz)/Izmax (pp. Is=0). Lipsa sarcinii (Is=0) este cel mai greu regim de lucru pentru dioda Zener (I=Iz). În acest regim se verifică puterea maximă disipată de dioda Zener (Uz*I). Dacă Ea creşte => creşte si Iz, producând pe Rb o creştere a căderii de tensiune aproape egală cu creşterea lui Ea. Us rămâne aproape constantă =Uz. Stabilizarea este cu atât mai bună cu cât rezistenţa dinamică Zener este mai mică si Rb este mai mare. Circuitul stabilizează Us şi la variaţia Is. Dacă Is creşte (Rs scade), Iz scade, iar I va rămâne aproximativ constant, ca şi Us.

3.4.4. Diode cu contact punctiform

Construcţia lor actuală constă dintr-un cristal semiconductor de Ge sau Si de tip n, pe suprafaţa căruia se realizează un contact punctiform cu un fir metalic ascuţit la vârf (fig. 3.29.).

După asamblarea mecanică urmează operaţia de formatare a diodei: o serie de impulsuri de curent cu valori mult peste cele nominale.

În jurul firului de wolfram, Ge îşi schimbă tipul în p, în urma răcirii se formează o joncţiune foarte mică cu S= şi cu grosimea .

Firul are rol de legătură între anod şi Ge de tip n.Datorită suprafeţei mici a joncţiunii, capacitatea de barieră e foarte mică => se folosesc la

frecvenţe mari.Rezistenţa regiunii neutre e mare: sute de ohmi.Nivelul de injecţie este mare, chiar la curenţi mici. În conducţie inversă, Irezidual este mare

şi are Ustrăpungere mică, pentru că Irezidual mare înseamnă străpungere prin ambalare termică (fig. 3.30).

Fig. 3.29

Fig. 3.30

33


Utilizare: la detecţie (radio), la modulaţie în fază şi în amplitudine, la schimbarea de frecvenţă, comutaţie. Se folosesc până la zeci de GHz, dar în construcţie coaxială.

Ex. EFD 108,EFD 109, EFD110...

3.4.5. Diode cu capacitate variabilă

Exploatează proprietăţile joncţiunii de a se comporta la polarizare inversă ca o capacitate dependentă de tensiunea aplicată. Capacitatea descreşte pe măsură ce tensiunea de polarizare inversă creşte, deoarece regiunea de tranziţie creşte.

Cea mai importantă caracteristică este legea de variaţie a capacităţii de barieră cu Uinv aplicată.unde: n= coeficient care depinde de constructor (n=0.5 - o diodă foarte bună de utilizat într-un circuit acordat).

Obs: Orice diodă poate lucra în această regiune de capacitate variabilă, dar se fac diode speciale, cu un n specific pentru anumite performanţe. Printr-o alegere corespunzătoare a dopajului, se realizează diode speciale "varicap" care prezintă o variaţie de capacitate între 10pF si 2pF pentru o creştere a tensiunii inverse între 2V si 30V.Ex. Se poate demonstra expresia factorului de calitate al condensatorului Cb.

Q- factorul de calitate.

34

Fig. 3.32

DCE - Cap.3. JONCŢIUNEA p-n 35

Documents

Cap.3. Joncţiunea P-n