Cosa è un diodo a giunzione PN?

Cos'è un diodo giunzione PN?

Diodo Giunzione PN

Un diodo giunzione PN è un componente di base nell'elettronica. In questo tipo di diodo, un lato del semiconduttore è dopato con impurità accettori (tipo P) e l'altro lato con impurità donatori (tipo N). Questo diodo può essere classificato come una giunzione 'a gradino' o 'lineare'.

In un diodo giunzione PN a gradino, la concentrazione di dopanti è uniforme su entrambi i lati fino alla giunzione. In una giunzione lineare, la concentrazione di dopanti cambia quasi linearmente con la distanza dalla giunzione. Senza alcuna tensione applicata, gli elettroni liberi si muovono verso il lato P e i buchi si muovono verso il lato N, dove si combinano.

Gli atomi accettori vicini alla giunzione sul lato P diventano ioni negativi, e gli atomi donatori vicini alla giunzione sul lato N diventano ioni positivi. Questo crea un campo elettrico che oppone ulteriori diffusione degli elettroni e dei buchi. Questa regione con ioni scoperti è chiamata regione di deplezione.

Se applichiamo una tensione di polarizzazione diretta al diodo giunzione PN, ovvero se il lato positivo della batteria è collegato al lato P, allora la larghezza della regione di deplezione diminuisce e i portatori di carica (buchi e elettroni liberi) fluiscono attraverso la giunzione. Se applichiamo una tensione di polarizzazione inversa al diodo, la larghezza della regione di deplezione aumenta e nessuna carica può fluire attraverso la giunzione.

Caratteristiche del Diodo Giunzione PN

Consideriamo una giunzione PN con una concentrazione di donatori ND e una concentrazione di accettori NA. Supponiamo inoltre che tutti gli atomi donatori abbiano donato elettroni liberi e siano diventati ioni donatori positivi, e che tutti gli atomi accettori abbiano accettato elettroni e creato buchi corrispondenti, diventando ioni accettori negativi. Possiamo quindi dire che la concentrazione di elettroni liberi (n) e ioni donatori ND sono uguali, e analogamente, la concentrazione di buchi (p) e ioni accettori (NA) sono uguali. Qui, abbiamo ignorato i buchi e gli elettroni liberi creati nei semiconduttori a causa di impurità e difetti involontari.

Attraverso la giunzione PN, gli elettroni liberi donati dagli atomi donatori nel lato n-tipo diffondono verso il lato p-tipo e si ricombinano con i buchi. Analogamente, i buchi creati dagli atomi accettori nel lato p-tipo diffondono verso il lato n-tipo e si ricombinano con gli elettroni liberi. Dopo questo processo di ricombinazione, c'è una mancanza o deplezione di portatori di carica (elettroni liberi e buchi) attraverso la giunzione. La regione attraverso la giunzione in cui i portatori di carica liberi si esauriscono è chiamata regione di deplezione.

A causa dell'assenza di portatori di carica liberi (elettroni liberi e buchi), gli ioni donatori del lato n-tipo e gli ioni accettori del lato p-tipo attraverso la giunzione diventano scoperti. Questi ioni donatori positivi scoperti verso il lato n-tipo adiacente alla giunzione e ioni accettori negativi scoperti verso il lato p-tipo adiacente alla giunzione causano una carica spaziale attraverso la giunzione PN. Il potenziale sviluppato attraverso la giunzione a causa di questa carica spaziale è chiamato tensione di diffusione. La tensione di diffusione attraverso un diodo giunzione PN può essere espressa come. La tensione di diffusione crea una barriera di potenziale per ulteriori migrazioni di elettroni liberi dal lato n-tipo al lato p-tipo e di buchi dal lato p-tipo al lato n-tipo. Ciò significa che la tensione di diffusione impedisce ai portatori di carica di attraversare la giunzione.

 Questa regione è altamente resistiva a causa della deplezione di portatori di carica liberi in questa regione. La larghezza della regione di deplezione dipende dalla tensione di polarizzazione applicata. La relazione tra la larghezza della regione di deplezione e la tensione di polarizzazione può essere rappresentata da un'equazione chiamata Equazione di Poisson. Qui, ε è la permittività del semiconduttore e V è la tensione di polarizzazione. Quindi, con l'applicazione di una tensione di polarizzazione diretta, la larghezza della regione di deplezione, cioè la barriera della giunzione PN, diminuisce e infine scompare.

Pertanto, in assenza di barriera di potenziale attraverso la giunzione nelle condizioni di polarizzazione diretta, gli elettroni liberi entrano nella regione p-tipo e i buchi entrano nella regione n-tipo, dove si ricombinano e rilasciano un fotone a ogni ricombinazione. Di conseguenza, ci sarà una corrente diretta che scorre attraverso il diodo. La corrente attraverso la giunzione PN è espressa come. Qui, la tensione V è applicata attraverso la giunzione PN e la corrente totale I, scorre attraverso la giunzione PN.

I s è la corrente di saturazione inversa, e = carica dell'elettrone, k è la costante di Boltzmann e T è la temperatura in scala Kelvin.

Il grafico sottostante mostra la caratteristica corrente-tensione di un diodo giunzione PN. Quando V è positivo, la giunzione è polarizzata in avanti, e quando V è negativo, la giunzione è polarizzata all'indietro. Quando V è negativo e inferiore a VTH, la corrente è minima. Ma quando V supera VTH, la corrente diventa improvvisamente molto alta. La tensione VTH è nota come tensione di soglia o tensione di ingresso. Per un diodo in silicio VTH = 0,6 V. A una tensione inversa corrispondente al punto P, c'è un incremento repentino della corrente inversa. Questa porzione delle caratteristiche è nota come regione di rottura.

Giunzione a Gradino

In una giunzione a gradino, la concentrazione di dopanti è uniforme fino alla giunzione su entrambi i lati.

Regione di Deplezione

La regione di deplezione si forma alla giunzione dove gli elettroni liberi e i buchi si ricombinano, creando un'area priva di portatori di carica liberi.

Polarizzazione Diretta

L'applicazione di una polarizzazione diretta riduce la larghezza della regione di deplezione, consentendo il flusso di corrente.

Polarizzazione Inversa

L'applicazione di una polarizzazione inversa aumenta la larghezza della regione di deplezione, bloccando il flusso di corrente fino a raggiungere la tensione di rottura.