Dioda semiconductoare cu joncţiune PN. Polarizările diodei.

În cea de-a doua lecție despre semiconductori vom discuta despre dioda semiconductoare, care este cea mai importantă aplicație practică a semiconductorilor extrinsegi de tip P și N, despre care am discutat în lecția trecută.

Pentru a forma o diodă semiconductoare, pur și simplu punem împreună doi semiconductori extrinsegi, unul de tip P și unul de tip N.

Deci, reprezentăm schematic.

Deci, pentru a forma o diodă semiconductoare vom avea un semiconductor de tip P, care, după cum am văzut în lecția trecută, este de obicei format dintr-un semiconductor intrinseg format din siliciu, care este dopat cu impurități de gallium.

Deci, aceasta va fi partea din dreapta, să zicem, a diodei noastre.

Iar în partea din stânga vom avea un semiconductor extrinseg de tip N, care, din nou, după cum am discutat în lecția trecută, este un semiconductor intrinseg de tip, făcut din siliciu, dopat cu impurități de arseniu.

Pentru a reaminti foarte pescurt, siliciu are 4 electroni de valență, arseniu are 5 electroni de valență și, deci, are un electron suplimentar, care va contribui substanțial, semnificativ, la conductivitatea semiconductorului extrinseg de tip N.

Deci vom avea sarcini negative de aceeași numele N, datorate acestui extra electron a arseniului, față de siliciu.

De partea cealaltă, galiu are 3 electroni de valență, deci cu unul mai puțin decât siliciu. Această lipsă a electronului în legăturile covalente se numește un gol și se comportă ca o sarcină pozitivă, din punct de vedere al conductivității electrice.

Și, deci, acest semiconductor extrinseg se numește de tip P pentru că are sarcini pozitive.

Joncțiunea este, prin definiție, această suprafață de separare a celor doi semiconductori. Deci primul concept pe care îl introducem este cel de joncțiune PN, care apare întotdeauna într-o diodă semiconductoare, care e suprafața de contact între doi semiconductori extrinsegi de tip diferit, unul P și unul N.

Haideți să vedem ce se întâmplă, ce fenomene fizice au loc la această joncțiune.

Păi, în primul rând, acești purtători mobili de sarcină electrică, și anume electronii și golurile, în jurul joncțiunii pot să se întâlnească și să se pot anihila.

În concluzie, primul fenomen este că, pe o anumită distanță, într-o anumită zonă din jurul joncțiunii, sarcinile mobile negative din N și sarcinile mobile pozitive din P se întâlnesc, se anihilează și, în concluzie, rămânem în această zonă cu o sarcină electrică netă,

datorată ionilor din rețeaua cristalină, din nodurile rețelii cristaline, care sunt imobili și deci nu pot să recombin.

În concluzie, vom rămâne în această zonă în semiconductorul de tip N cu ioni pozitivi și în semiconductorul de tip P cu ioni negativi.

I-am desenat înconjurați cu aceste mici cercuri ca să facem diferența între faptul că sarcinile inițiale, electronii și golurile, sunt mobile, deci sarcinile neînconjurate sunt mobile și, de aceea, într-o zonă le pot recombina și se pot anihila,

pe când ionii sunt sarcini fixe, de aceea i-am înconjurat, ei nu pot face acest lucru.

În concluzie, într-o zonă din jurul joncțiunii, electronii mobili din N și golurile mobile din P se anihilează într-o zonă proporțională cu câmpul E,

deci grosimea acestei zone pe care o notez cu D și intensitatea câmpului electric generat pentru că, bineînțeles, va apărea un câmp electric în această zonă,

care, prin convenție, are sensul de depasare a unui sarcin de probă pozitivă, deci acest câmp electric generează această recombinare a electronilor și golurilor.

Și, după cum am spus, în această zonă de trecere vor rămâne doar ionii care sunt imobili în nodurile rețele.

În zona de tip P vom avea ioni negativi pentru că au plecat golurile, deci rămân ioni încărcați negativi, și în zona de tip N rămân ioni pozitivi pentru că au plecat electronii.

Și, deci, ceea ce obținem este un izolator cu rezistență foarte mare în această zonă de trecere a joncțiului.

De ce izolator? Păi foarte simplu, pentru că toți purtătorii imobili de sarcin au dispărut.

Ce dă conductivitatea unui material? Foarte simplu, orice sarcină ce se poate mișca.

Duce la creerea unui curent electric.

Dacă toate sarcinile imobile au dispărut, obținem un izolator perfect, adică cu rezistență foarte mare.

Acesta este primul fenomen ce se întâmplă în zona de trecere a joncțiului PN.

Obținem un izolator cu o rezistență mare la trecerea urcărui curent.

Dar, al doilea fenomen care este important și pe care deja îl putem vedea din acest desen,

este că portarea rezistivă a zonei de trecere a joncțiului este diferită în funcție de direcția din care încercăm să trecem un curent electric.

Haideți să discutăm despre acest lucru.

Deci, haideți să încercăm să trecem un curent electric prin această diodă.

Și începem cu așa numita polarizare directă a joncțiului.

Adică, pur și simplu, cuplăm dioda la o sursă de curent electric.

Curent electric continu, dar discuția este similară, bineînțeles și pentru un curent alternativ.

În polarizarea directă, cuplăm borna pozitivă a sursei de curent la semiconductorul pozitiv de tip P și borna negativă la semiconductorul de tip N.

Deci, aceasta se numește polarizarea directă.

Scriu în paranteză plus la P, minus la N.

Ce se va întâmpla?

Electronii generați de această sursă de curent electric, bineînțeles, vor încerca să circule prin semiconductoarele noastre, prin diode, în această direcție.

Deci, electronii care pleacă de la minus către plus în circuitul extern vor avea această direcție.

Deci, electronii negativi.

Bineînțeles că ei, într-o primă fază, vor intra în interacțiune cu acești ioni pozitivi din rețeaua cristalină a semiconductorului de tip N

și vor reduce dimensiunea zonei de trecere pentru că îi vor anihila.

Adică vor anihila în sensul că vor face sarcina electrică totală zero.

În concluzie, ce se va întâmpla este că dimensiunea zonei de trecere va scădea.

Putem discuta și pe partea pozitivă în termen de sarcini pozitive, adică de goluri.

La fel, acești ioni negativi vor capta o parte din aceste sarcini pozitive și sarcina lor totală va deveni zero, redevenind acei atomi neutri din punct de vedere al sarcinii electrici.

Deci, per total, dimensiunea, atât dimensiunea cât și intensitatea câmpului electric din această zonă de trecere a joncției va scadea.

În concluzie, rezistența totală a joncției scade.

Bineînțeles că avem și cazul opus în care cuplăm așa numită polarizare inversă, în care cuplăm minusul, borna negativă a sursei de curent electric la P și plusul la N.

Deci acum să discutăm despre acest caz, polarizarea inversă, adică din nou plusul la N și minusul la P.

Atunci obținem, bineînțeles, exact fenomenul invers.

În această situație pompăm electronii în sens invers, deci electronii nu vor mai fi pompați în semiconductor de către sursă de la stânga la dreapta, ci invers, de la dreapta la stânga.

Deci electronii vor fi pompați așa pentru că borna negativă a sursei este aici.

Și atunci, bineînțeles, ce se va întâmpla este că vom crește grosimea și toate celelalte proprietăți ale zonei de trecere.

Deci D va crește, de asemeni intensitatea câmpului electric din joncțiune va crește și deci rezistența la trecerea curentului a joncțiunii diodei semiconductoare va crește.

În concluzie, cel de-al doilea fenomen, primul fiind că am obținut un izolator cu rezistență foarte mare, cel de-al doilea fenomen este că atât dimensiunea și în consecință și rezistența joncțiunii pot fi manipulate prin felul în care polarizăm această diodă semiconductoare.

În mod concret, aceste proprietăți se văd atunci când studiem experimental așa-numita caracteristică intensitate curent a diodei semiconductoare.

Deci orice instrument electric, orice componentă electrică își revelează, dacă doriți, proprietățile de conductivitate și așa mai departe, proprietățile electrice în caracteristica intensitate curent.

În particular, obținem următoarea comportare.

În zona tensiunilor pozitive, tensiune pozitivă înseamnă polarizare directă.

Deci când polarizăm direct dioda semiconductoare, observăm următorul lucru, că până la o anumită tensiune mică de ordinul 0.5V, intensitatea curentului este aproape 0.

Și apoi obținem o creștere foarte bruscă, exponențială a acestei intensități a curentului.

Această creștere se petrece în ceva de genul 0.2V, deci până la 0.7V obținem acest curent electric foarte mare.

Putem foarte ușor să înțelegem această comportare în lumina discuției precedente și anume, într-o polarizare directă, pe măsură ce creștem tensiunea polarizării,

reducem distanța sau mărimea, dimensiunea zonei de trecere.

Deci D scade până la o anumită valoare a tensiunii numită tensiune de prag, când D devine egal cu 0.

Deci această zonă de trecere care este izolatorul diodei semiconductoare dispare și atunci bineînțeles că trecem foarte rapid în zona de conductivitate a diodei

și deci curentul ce trece prin diodă, ce poate trece prin diodă crește rapid.

Pentru a scrie concluzia, deci în polarizare directă există o tensiune de prag care are o valoare mică, de ordinul jumătate de volt,

după care intensitatea curentului crește exponențial deoarece datorită faptului că rezistența zonei de trecere se anulează rapid.

În partea cealaltă a tensiunilor negative, ceea ce înseamnă bineînțeles polarizarea inversă,

obținem următoarea comportare.

La fel, intensitatea este aproximativ egală cu 0, neglijabilă, foarte mică, dar până la tensiuni foarte, foarte mari.

Deci, practic, dioda se comportă ca un izolator până la tensiuni de ordinul miilor de volt.

Această tensiune se numește tensiunea Zener, tensiunea până la care dioda se comportă ca un izolator.

Iarăși putem să înțelegem foarte ușor această comportare din discuția precedentă,

și anume că în polarizare inversă creșterea tensiunii, creșterea lui U, duce la creșterea lui D.

Deci nu ne putem aștepta ca la un moment dat să obținem o comportare de conductor a semiconductorilor,

adică să avem o conductivitate electrică, deoarece creșterea lui U duce la creșterea lui D, la creșterea rezistenței.

Există totuși o valoare foarte mare, după cum am spus, de ordinul miilor de volt, în care pur și simplu dioda se străpunge.

Adică la această tensiune foarte mare obținem iarăși o creștere rapidă a intensității.

Aceasta deoarece tensiunea devine așa de mare încât schimbăm, dacă doriți, structura internă,

modificăm structura rețelei cristaline și trecem la un alt regim de comportare a materialului.

Și deci începem să generăm sarci electrice mobile din păturile inferioare ale atomilor din rețeaua cristalină.

Și atunci intrăm într-un alt regim de conductivitate a curentului electric.

Dar ce este esențial este că tensiunea la care se întâmplă acest lucru este foarte mare.

Deci nu mai vorbim de 0,5V, ci de 1000V.

Până la această tensiune, dioda se comportă ca un izolator.

Peste această tensiune, dioda se străpunge.

Deci pur și simplu aceași funcțiune, dacă vreți, este pulverizată de tensiunea electrică foarte mare.

Există aplicații practice numite diodele Zener care folosesc această străpungere a joncțiunii PN sau NP

într-un mod cont pentru a stabiliza tensiunea dintr-un circuit.