Documente online.
Username / Parola inexistente
  Zona de administrare documente. Fisierele tale  
Am uitat parola x Creaza cont nou
  Home Exploreaza

JONCTIUNEA pn. Diode SEMICONDUCTOARE

tehnica mecanica











ALTE DOCUMENTE

3D
Cimentul Portland
Limitatoare pentru temperatura de circulatie a apei calde menajere
ELECTROMECANIC UTILAJE SI INSTALATII INDUSTRIALE
Campul magnetic
STUDIUL SI TRASAREA CARACTERISTICILOR APRINDERILOR ELECTRONICE CU CONTACTE
Demand Side Management in conceptia cercetarii operationale
Masurarea unor parametri electrici ai materialelor semiconductoare
Sistemul electric al avionului
Limbajul de programare de tip "Lista de instructiuni" (IL)


JONCTIUNEA pn. Diode SEMICONDUCTOARE

    2.1. Notiuni de fizica semiconductoarelor

    2.1.1. Introducere

    Principalele materiale semiconductoare folosite la fabricarea dispozitivelor electronice cu corp solid sunt cristalele elementelor tetravalente de siliciu (Si) si germaniu (Ge), precum si ale unor compusi binari, cum sunt: galiu-arsen (GaAs), indiu-stibiu (InSb), indiu-fosfor (InP), etc.
    Rezistivitatea semiconductoarelor este cuprinsa intre 10-6 si 1012
W m, ceea ce le incadreaza intre metale si dielectrici. Rezistivitatea semiconductoarelor depinde de tipul si concentratia impuritatilor, de structura si de conditiile fizice exterioare (temperatura, iluminare, câmpuri electrice si magnetice, etc).    proprietatile electrice ale semiconductoarelor se obtin numai printr-o ordonare apropiata de perfectiune a atomilor in tot volumul materialului, ordine cunoscuta sub numele de monocristal. Defectele retelei cristaline acceptate de monocristale sunt intr-un numar foarte redus.
    Reteaua cristalina a principalelor materiale semiconductoare (Si, Ge) este de tip diamant, in care fiecare atom se invecineaza in imediata apropiere cu alti patru atomi uniform distribuiti in spatiu. O reprezentare in plan a acestei retele este data in figura 2.1.
    Pentru ca un material sa prezinte conductivitate electrica trebuie sa posede particule mobile purtatoare de sarcina electrica. In semiconductoare acestea sunt electronii de conductie si golurile, niste particule fictive care permit descrierea fenomenelor macroscopice de conductie cu ajutorul legilor clasice.


 
 
 
 

Fig.2.1. Reprezentarea in plan a retelei cristaline
semiconductoare tetravalente

    In realitate, comportarea electrica a semiconductoarelor este determinata de evolutia cu caracter cuantic a electronilor de valenta din corpul solid si care se studiaza cu ajutorul metodelor fizicii cuantice.
    Electronul de conductie folosit in modelare are aceeasi sarcina ca si electronul real (-q
= -1,6× 10-19 C) si o masa efectiva mn diferita de masa electronului. Golul are sarcina +q si masa efectiva mp. Pentru Si mn=1,1m0 si mp=0,59m0, iar pentru Ge mn=0,55m0 si mp=0,36m0, unde m0=3,1× 10-31kg reprezinta masa electronului liber. Concentratiile purtatorilor de sarcina se noteaza: cu n cea a electronilor si cu p cea a golurilor.

2.1.2. TEORIA BENZILOR ENERGETICE PENTRU CORPUL SOLID

    Aplicarea mecanicii cuantice la studiul miscarii electronilor in câmpul periodic al ionilor retelei monocristaline arata ca nivelele de energie permise sunt foarte apropiate. Ele formeaza benzi energetice permise separate intre ele de benzi energetice interzise asa cum se prezinta in diagrama energetica di figura 2.2.     Conventia de semne cu privire la energia electronului (E) este: E< 0 pentru electronii din interiorul materialului (electroni legati) si E> 0 pentru electronii liberi (extrasi din material). In studiul conductiei electrice intereseaza doar spectrul energiilor negative. Ocuparea nivelelor energetice de catre electroni se face de jos in sus si pe masura ocuparii tuturor nivelelor unei benzi se trece la banda de deasupra.

Fig.2.2.Diagrama energetica calitativa

    Electronii de valenta sunt cei mai slabi legati de atomi datorita pozitiei lor periferice si, ca urmare, ocupa ultimele benzi permise, adica cele mai apropiate de energia zero. In anumite conditii electronii au posibilitatea sa-si modifice energia, adica sa treaca de pe un nivel energetic pe altul. Astfel, daca electronului i se furnizeaza energie el poate trece pe un nivel energetic superior cu conditia ca acest nivel sa fie neocupat de alt electron, iar energia primita sa fie suficient de mare pentru a se realiza saltul. Saltul energetic in sens invers este un proces natural, spontan si este conditionat de existenta unui nivel energetic inferior neocupat. Salturile energetice se pot face si intre nivele apartinând unor benzi permise diferite. Electronii pot primi energie de la retea care are o energie de vibratie proportionala cu temperatura materialului sau de la agenti fizici externi (de exemplu, un câmp electric).
    Existenta fenomenului de conductie electrica in cadrul semiconductorului este conditionata de existenta a cel putin unei benzi permise incomplet ocupate de electroni, in caz contr 919j97j ar conductia fiind imposibila.

a.       Semiconductorul la T= 0 K


Se presupune ca un cristal se afla la o temperatura foarte joasa, teoretic la T
= 0 K. Reteaua cristalina are reprezentarea simbolica bidimensionala din figura 2.1. In jurul fiecarui atom octetul electronic realizeaza cele patru legaturi covalente cu ceilalti patru atomi vecini. Daca se aplica din exterior un câmp electric de intensitate,uzuala (mai mica decât valoarea de strapungere a semiconductorului), aceasta nu poate furniza electronilor din banda de valenta, numiti electroni de valenta (figura 2.3) energia necesara pentru desprinderea de atomii proprii si trecerea lor in banda de conductie. In banda de valenta toate nivelele energetice sunt ocupate de electroni conform principiului lui Pauli, adica intr-o astfel de stare se pot afla cel mult doi electroni cu spini opusi. In figura 2.3 banda de valenta este hasurata pentru a simboliza ca toate nivelele ei sunt ocupate, iar cu EV s-a notat nivelul superior al acesteia. In banda de conductie toate nivelele sunt libere. Nivelul inferior al benzii de conductie este notat EC. Largimea benzii interzise, notata EG este un parametru al semiconductoarelor (EG (Si)= = 1,1 eV, EG (Ge)=0,67 eV) si este legata de EV si EC prin relatia:

(2.1)

Pentru ca un electron de valenta sa treaca in banda de conductie trebuie sa i se cedeze energie de catre câmpul electric cel putin egala cu EG, ceea ce acesta nu o poate face. In aceste conditii, la T=0 K nu poate exista conductie in semiconductor, deci acesta se comporta ca un izolator.

b.      Semiconductorul la T > 0 K

    Sa presupunem ca semiconductorul se afla la T> 0 K, de exemplu la temperatura camerei (300 K). Datorita energiei termice a retelei creste energia de vibratie a electronilor din retea, astfel ca unii electroni de valenta pot primi energie egala sau mai mare decât EG, astfel incât ei sa poata trece din banda de valenta in banda de conductie, devenind astfel electroni de conductie si putându-se misca liberi prin retea. Electronii de conductie sunt purtatori de sarcina negativa. Un astfel de purtator lasa un loc liber in retea, care poate fi la rândul sau ocupat de un alt electron din alta legatura covalenta s.a.m.d. Deplasarea electronului de conductie intr-un anumit sens pentru a ocupa un loc liber poate fi substituita de deplasarea in sens invers a locului liber. Locul liber mobil se numeste gol si are sarcina electrica pozitiva. La aplicarea unui câmp electric el se va misca in sens opus electronului cu care isi schimba pozitia. Deplasarile electronului si a golului sunt reprezentate in figura 2.4.


 
 

Fig.2.4. Deplasarea electronilor si a golurilor


 
 

Fig.2.5. Diagrama energetica pentru semiconductorul la T > 0 K

    In modelul benzilor de energie, la T> 0 K (fig.2.5), unii electroni din banda de valenta, datorita distributiei statistice a energiei termice, primesc o energie egala sau mai mare decât EG si trec in banda de conductie ca electroni de conductie. Ei au devenit purtatori mobili, intrucât isi pot creste energia cu o componenta cinetica, având in vedere ca in banda de conductie exista stari energetice libere pe care le pot ocupa. Dar electronii care au trecut in banda de conductie au lasat in banda de valenta locuri neocupate. Aceste locuri sunt mobile, deci reprezinta goluri, fiindca isi pot creste energia cu o componenta cinetica. Cresterea energiei unui gol inseamna de fapt cresterea energiei unui electron din banda de valenta si care ramâne in banda de valenta, ceea ce este acum posibil, pentru ca electronii au la dispozitie nivelurile superioare eliberate. Prin urmare, la T> 0 K, practic la temperaturi uzuale si inalte, in semiconductorul fara impuritati apar purtatori mobili de sarcina, electroni de conductie si goluri. EC corespunde energiei potentiale a electronului de conductie, iar EV corespunde energiei potentiale a golului. La aplicarea unui câmp electric , purtatorii isi pot creste energia pe seama câmpului, asigurând conductia electrica. Cu cât temperatura semiconductorului este mai mare, numarul legaturilor covalente rupte este din ce in ce mai mare si semiconductorul conduce mai bine curentul electric.

2.1.3. SEMICONDUCTORUL INTRINSEC

    Din mecanismul de generare a purtatorilor observam ca electronii de conductie si golurile apar in perechi, proces denumit generare de perechi electron-gol. Concentratia electronilor se noteaza cu n, iar a golurilor cu p, unitatea de masura a acestora fiind cm-3. In conditii de echilibru termic concentratiile se noteaza cu n0 si p0. Având in vedere generarea purtatorilor in perechi, in cazul semiconductorului fara impuritati cele doua concentratii sunt egale, iar valoarea lor comuna se noteaza cu ni si se numeste concentratie intrinseca de purtatori. Rezulta:

. (2.2)

    Daca intr-un semiconductor concentratia electronilor este egala cu concentratia golurilor el se numeste intrinsec. Deci semiconductorul fara impuritati este un semiconductor intrinsec.
    Exista situatii când si semiconductoarele cu impuritati pot sa se gaseasca in stare intrinseca.
    La T=300 K siliciul are ni=1,45
× 1010 cm-3, iar germaniul ni=2× 1013 cm-3.

2.1.4. SEMICONDUCTOARE CU IMPURITATI

    Realizarea dispozitivelor electronice impune obtinerea unor semiconductoare cu exces de electroni (n> p), numit semiconductor de tip n sau cu exces de goluri (p> n), numit semiconductor de tip p. Procedeul folosit este cel al impurificarii controlate. Pentru realizarea unui semiconductor de tip n se folosesc impuritati pentavalente, numite impuritati donoare (P, As, Sb). Un atom de impuritate donoare substituie un atom de semiconductor din retea. Patru dintre electronii de valenta formeaza legaturile covalente cu atomii vecini, iar al cincilea este slab legat, astfel ca la temperatura camerei el primeste suficienta energie pentru a se desprinde de atomul donor si a deveni electron de conductie. Existenta acestui electron de conductie nu este legata de distrugerea unei legaturi covalente, deci de aparitia unui gol. In semiconductorul de tip n exista insa si goluri care apar prin mecanismul intrinsec de generare, dar ele sunt in concentratie mica. Diagrama energetica a unui semiconductor de tip n este prezentata in figura 2.6.

Fig.2.6. Diagrama energetica a unui semiconductor de tip n

    Electronul suplimentar al atomului de impuritate ocupa in banda interzisa un nivel energetic ED foarte apropiat de banda de conductie. Acest nivel energetic nu apartine intregului cristal, ci este localizat doar in vecinatatea atomilor de impuritate, de aceea a fost reprezentat cu linie intrerupta. La temperatura camerei electronii de pe nivelul ED trec, practic in totalitate, in banda de conductie.
    Pentru realizarea unui semiconductor de tip p se folosesc impuritati trivalente, numite impuritati acceptoare (Br, In, Ga, Al). Atomul de impuritate trivalenta satisface numai trei legaturi covalente cu atomii vecini, ramânând o legatura covalenta nesatisfacuta. Aceasta legatura se poate completa cu un electron dintr-o legatura covalenta vecina, lasând in urma sa un gol. Acest mecanism de formare a unui gol nu a fost insotit de aparitia unui electron de conductie. Electronii de conductie apar prin mecanismul intrinsec de generare si sunt mult mai putini decât golurile. Diagrama energetica este prezentata in figura 2.7.

Fig.2.7. Diagrama energetica a unui semiconductor de tip p

    Dupa cum se observa in figura 2.7, legatura covalenta nesatisfacuta a atomului acceptor introduce un nivel energetic EA in banda interzisa foarte aproape de banda de valenta. Acest nivel energetic este localizat numai in vecinatatea atomilor de impuritate. La temperatura camerei nivelele acceptoare ale tuturor atomilor acceptori sunt practic ocupate de electroni din banda de valenta. In banda de valenta pe nivelele superioare vor aparea goluri in locul electronilor care au ocupat nivelele acceptoare. In semiconductorul de tip n electronii de conductie sunt purtatori de sarcina (negativa) majoritari, iar golurile sunt purtatori de sarcina (pozitiva) minoritari.
    In semiconductorul de tip p golurile devin purtatori de sarcina (pozitiva) majoritari si electronii de conductie sunt purtatori de sarcina (negativa) minoritari.

2.1.5. STATISTICA PURTATORILOR DE SARCINA

    Purtatorii de sarcina din semiconductoare se supun statisticii Fermi- Dirac. Conform acestei statistici, probabilitatea ca un electron sa ocupe un nivel energetic E este:
, (2.3)

unde: EF este energia (nivelul) Fermi;
k- constanta lui Boltzmann.
    La echilibru termic acest nivel este constant in tot volumul materialului considerat. Marimea energiei Fermi depinde de temperatura si de modul de dopare a semiconductorului. Nivelul Fermi este o marime de calcul si poate fi situat atât in interiorul benzilor permise cât si in al celor interzise. Probabilitatea de ocupare a nivelului EF de catre un electron este:

,

deci este independenta de temperatura.
    Calculele mecanicii cuantice indica urmatoarele expresii pentru concentratiile de electroni si goluri la echilibru termic:

; (2.4)

,

unde NC si NV sunt doua constante care depind de temperatura dupa legea .
    Pentru semiconductorul intrinsec nivelul Fermi se noteaza cu Ei si are valoarea aproximativa:

. (2.5)

Prin urmare, nivelul Fermi intrinsec Ei este plasat la orice T in mijlocul benzii interzise.

Concentratiile de electroni si goluri se pot exprima prin folosirea marimilor Ei si ni cu relatiile:

; (2.6)

. (2.7)

    Conform acestor relatii un semiconductor de tip n are nivelul Fermi situat deasupra mijlocului benzii interzise, iar un semiconductor de tip p are nivelul Fermi situat sub mijlocul benzii interzise.
    Pentru a stabili concentratiile de purtatori in functie de concentratiile de atomi donori (ND) si de atomi acceptori (NA) se pleaca de la doua relatii fundamentale. Prima relatie :
    p0n0=ni2 (2.8)
    se numeste ecuatia sau conditia de echilibru (termic), si este valabila numai la echilibru termic. Cea de-a doua relatie :
    p0-n0=NA-ND (2.9)
    reprezinta ecuatia sau conditia de neutralitate. Pentru un semiconductor de tip n rezolvarea sistemului de ecuatii (2.8) si (2.9) duce la n0
»ND si p0».
    La neechilibru termic nici una dintre relatiile prezentate in acest subcapitol nu mai este valabila. Pentru a pastra totusi formalismul relatiilor (2.6) si (2.7) se introduc doua nivele energetice de calcul, fictive, numite cvasinivele Fermi. Aceste cvasinivele au valori diferite pentru electroni ( EFn) si pentru goluri (EFp) si variaza in interiorul semiconductorului. In felul acesta, concentratiile de electroni si de goluri la neechilibru sunt date de relatiile:

    ; (2.10)

    , (2.11)

    unde Ei semnifica mijlocul benzii interzise.

2.1.6. TRANSPORTUL PURTATORILOR DE SARCINA

In semiconductoare, transportul dirijat al purtatorilor de sarcina, deci curentul electric, se produce, in principal, prin urmatoarele doua mecanisme:

a.       prin drift, adica prin antrenarea purtatorilor de catre un câmp electric, rezultând un curent electric numit curent de drift sau de câmp;

b.      prin difuzie, adica prin deplasarea purtatorilor dintr-o regiune a semiconductorului unde concentratia lor este mai mare catre regiuni in care concentratia purtatorilor respectivi este mai mica, rezultând un curent electric numit curent de difuzie.

a) Curentii de drift (de câmp)

    Aplicarea unui câmp electric asupra unui semiconductor face ca purtatorii de sarcina sa capete o viteza medie pe directia câmpului electric proportionala cu intensitatea câmpului:

; (2.12)
, (2.13)

unde:  este viteza de drift a electronului (golului);

mn(mp) - mobilitatea electronului (golului);

- intensitatea câmpului electric.

In consecinta, densitatile curentilor de drift sunt:

; (2.14)

, (2.15)

unde n si p sunt concentratiile electronilor si golurilor.
    Mobilitatea purtatorilor de sarcina este un rezultat al ciocnirilor acestora cu reteaua atomilor de semiconductor si cu ionii de impuritate, depinzând, pe lânga concentratia de impuritati, si de temperatura. Vitezele de drift depind de intensitatea câmpului electric. Astfel, la câmpuri electrice de intensitate mica viteza de drift este nesemnificativa in raport cu viteza de agitatie termica, iar la câmpuri electrice intense viteza de drift este comparabila cu cea datorata agitatiei termice.

    b) Curentii de difuzie

    Prezenta unor concentratii neuniforme de electroni sau de goluri determina transportul acestora cu tendinta de uniformizare a distributiei lor. In consecinta, rezulta curenti de difuzie ale caror densitati sunt urmatoarele:

    ; (2.16)
 
    , (2.17)
    unde:  este coeficientul de difuzie pentru electroni;
     - coeficientul de difuzie pentru goluri;

    n - concentratia de electroni;
    p - concentratia de goluri.
    Semnul (-) din (2.17) provine de la faptul ca curentul de difuzie are sens opus gradientului concentratiei.
    Densitatea totala de curent,  intr-un semiconductor este:
    , (2.18)

    iar
    ; (2.19)
    . (2.20)
    In cazul unor câmpuri electrice variabile in timp, relatia (2.18) va cuprinde si un termen corespunzator densitatii de curent de deplasare:

2.1.7. GENERAREA SI RECOMBINAREA PURTATORILOR DE SARCINA

    Generarea reprezinta fie fenomenul de trecere a unui electron al retelei cristaline in banda de conductie fie de parasire a benzii de valenta.
    Primul fenomen duce la generarea de electroni de conductie, iar al doilea la generarea de goluri.
    Recombinarea reprezinta procesul prin care un electron al retelei cristaline paraseste banda de conductie sau trece in banda de valenta. In primul caz dispare un electron de conductie, iar in al doilea un gol.
    Ratele de desfasurare a celor patru mecanisme, in sensul numarului de particule care se genereaza/recombina in unitatea de volum si in unitatea de timp, se numesc viteze de generare/recombinare.

2.2. JONCTIUNEA pn

2.2.1. INTRODUCERE

    Jonctiunea pn reprezinta o structura fizica realizata intr-un monocristal care are doua regiuni vecine, una de tip p si alta de tip n.
    Limita de demarcatie dintre cele doua regiuni se numeste jonctiune metalurgica de interfata.
    In figura 2.8 se prezinta un model unidimensional ale jonctiunii n, unde N=NA-ND este concentratia neta de impuritati.


 
 

Fig. 2.8. Model unidimensional al jonctiunii pn

    Conform acestui model se observa ca pentru x< 0 NA>ND, ceea ce corespunde zonei de tip p, iar pentru x> 0 NA<ND, ceea ce corespunde zonei de tip n. Jonctiunea metalurgica se realizeaza la x=0, pentru care N=0.

2.2.2. JONCTIUNEA PN LA ECHILIBRU TERMIC

    Studiul jonctiunii pn se face pe un caz particular de impurificare si anume pe profilul abrupt al concentratiei de impuritati, conform caruia in zona p se gasesc numai impuritati acceptoare cu concentratia constanta NA, iar in zona n se gasesc numai impuritati donoare cu concentratia constanta ND. O asemenea jonctiune este o jonctiune pn ideala.
    Presupunem ca jonctiunea pn ideala se afla la echilibru termic, adica la terminalele sale nu se aplica tensiune electrica si nici nu se afla sub actiunea unui factor care sa-i perturbe starea de echilibru. Principalele procese fizice care au loc la echilibru pot fi examinate calitativ cu ajutorul figurii 2.9.
    Sa urmarim principalele procese care conduc in final la distributiile de echilibru din figura 2.9. Din regiunea p difuzeaza goluri (incepând cu cele de lânga x=0) in regiunea n, recombinându-se treptat cu electroni de acolo. In consecinta, in zona apropiata de interfata prin plecarea golurilor apare un exces de sarcina negativa datorita ionilor negativi proveniti din atomii de impuritati acceptoare. Din zona n difuzeaza electroni in regiunea p, recombinându-se treptat cu golurile de acolo. In zona apropiata de interfata prin plecarea electronilor apare un exces de sarcina pozitiva datorita ionilor pozitivi proveniti din atomii de impuritati donoare. Aceste sarcini (fig.2.9, d) se numesc sarcini spatiale sau de volum.
    Sarcinile spatiale produc un câmp electric  orientat de la sarcina pozitiva catre cea negativa, adica in sens opus versorului x. Prin orientarea sa  se opune difuziei purtatorilor majoritari care au amorsat procesul, dar antreneaza purtatorii minoritari generând curentii de drift cu circulatie opusa curentilor de difuzie ai purtatorilor majoritari de acelasi fel.
    Existenta câmpului  implica o variatie a potentialului V de-a lungul axei x, mai precis o crestere de la sarcina negativa la cea pozitiva. Altfel spus se ridica o bariera de potential in calea purtatorilor care difuzeaza. Procesele descrise inceteaza in momentul când, pentru fiecare tip de purtator curentul de drift care se opune celui de difuzie, il egaleaza in marime pe acesta din urma. Starea atinsa reprezinta echilibrul termic si toate marimile analizate au acum distributii stationare care mentin echilibrul. Aceste distributii sunt reprezentate in figura 2.9.
    Regiunea de trecere este zona de largime l, aflata in jurul interfetei, zona in care sarcina ionilor este necompensata, de unde si denumirea de regiune de sarcina spatiala. Ea este cuprinsa intre limitele -lp si + ln. Datorita câmpului din regiunea de trecere, purtatorii mobili din interiorul ei sunt evacuati in totalitate, de unde si denumirea de regiune golita. Evacuarea purtatorilor se produce incontinuu, pe masura ce ei sunt generati.
    Dincolo de regiunea golita domeniile semiconductoare si-au pastrat neutralitatea.

Fig.2.9. Reprezentari explicative pentru interpretarea calitativa a fenomenelor ce se petrec in jonctiunea pn la echilibru termic

    Densitatea de sarcina spatiala r va avea distributia din figura 2.9, d, iar câmpul electric pe cea din figura 2.9,e.  are valori tipice de ordinul 104 V/m. La echilibru bariera de potential atinge o inaltime V0, denumita diferenta interna de potential. Daca se alege ca potential de referinta (potential zero) potentialul regiunii p neutre, atunci potentialul regiunii n neutre va fi +V0 (fig.2.9,f). Valorile tipice ale lui V0 sunt de ordinul zecimilor de volt.

2.2.3. ANALIZA ELECTROSTATICA

Distributiile marimilor prezentate in figura 2.9 pot fi obtinute si analitic.

a.      Densitatea de sarcina spatiala

Densitatea de sarcina r variaza cu distanta ca in figura 2.9,d. In acest caz avem:

. (2.22)

b.      Câmpul electric in regiunea de trecere

Legatura dintre si r este data de legea lui Gauss:

, (2.23)

unde e este permitivitatea semiconductorului de baza. Pentru modelul unidimensional al jonctiunii pn ideale legea lui Gauss devine:

, (2.24)

de unde :

, (2.25)

unde C este o constanta de integrare.

Pentru , pe baza relatiilor (2.22) si (2.25), avem . Din conditia la limita , rezulta si deci:

. (2.26)

In mod similar, pentru avem . Cu conditia la limita (+ln )=0 rezulta . Se obtine:

. (2.27)

Relatiile (2.26) si (2.27) justifica variatia liniara a lui (x) pe cele doua portiuni ale regiunii de trecere.

c.       Variatia potentialului de-a lungul jonctiunii

Intensitatea câmpului electric si potentialul sunt corelate prin relatia , care pentru modelul unidimensional devine , de unde:

V = . (2.28)

Pentru x Î (- lp, 0), introducând expresia (2.26) in (2.28), se obtine:

V = . (2.29)

Luând originea pentru potential in regiunea neutra p, din conditia la limita V(- lp) = 0 rezulta C = 0 si deci:

V = . (2.30)

In mod similar, pentru x Î (0, + ln) si V(+ln) = V0 se obtine:

V = V0 - . (2.31)

Expresiile (2.30) si (2.31) arata ca V(x) creste de-a lungul regiunii de trecere dupa o lege parabolica (mai precis, urmând doua segmente de parabola care se racordeaza pe interfata).

2.2.4. JONCTIUNEA pn IN REGIM STATIC

    Jonctiunea pn functioneaza in regim static (stationar) când i se aplica la terminale o tensiune continua (stationara) de la o sursa exterioara. Ca urmare, jonctiunea nu se mai gaseste la echilibru termic si, in consecinta curentii de difuzie si cei de drift nu se mai compenseaza reciproc. Prin jonctiune si prin circuitul exterior va circula un curent net IA.
    Consideram jonctiunea in trei situatii (fig. 2.10): nepolarizata, polarizata si polarizata invers.

a) b) c)

Fig. 2.10. Jonctiunea pn:
a) nepolarizata; b) polarizata direct; c) polarizata invers

    In cazul in care jonctiunea este nepolarizata (fig. 2.10, a), ea se gaseste la echilibru termic, sarcinile spatiale sunt - q0, + q0, câmpul electric intern , iar bariera de potential V0. Curentul prin jonctiune are expresia:
    IA = (IpM - Ipm) + (InM - Inm), (2.32)
    IpM - Ipm reprezinta curentul net de goluri, iar InM - Inm pe cel de electroni. La echilibru termic acesti doi curenti sunt nuli, rezultând IA = 0.
    In cazul polarizarii directe (stare de echilibru), deci la VA > 0 (fig. 2.10, b), câmpul intern devine mai mic decât datorita suprapunerii câmpului de sens opus creat de VA. Scaderea câmpului avantajeaza difuzia sau, in termeni energetici, scade inaltimea barierei de energie potentiala de la qV0 la q(V0 - VA), corespunzatoare scaderii barierei de potential de la V0 la V0 - VA. In acest fel creste mult probabilitatea purtatorilor majoritari distribuiti conform repartitiei Boltzmann sa o escaladeze prin difuzie. In consecinta, cresc apreciabil curentii IpM si InM. Numarul purtatorilor minoritari ce trec bariera (trecerea se face de la energie mare la energie mica) nu se modifica, astfel incât Ipm si Inm se conserva. Cum IpM >> Ipm si InM >> Inm, rezulta din relatia (2.32) ca IA > 0 este un curent direct de valoare apreciabila.
    In cazul polarizariii inverse (stare de neechilibru), deci la VA < 0 (fig. 2.10, c), câmpul intern devine mai mare decât , deoarece câmpul creat de VA are acelasi sens cu . Cresterea câmpului defavorizeaza difuzia. Altfel spus, bariera de energie potentiala crescând de la qV0 la q(V0 + VA) scade probabilitatea purtatorilor majoritari de a o escalada prin difuzie. Prin urmare, scad IpM si InM sub valorile corespunzatoare lui VA = 0, iar Ipm si Inm isi pastreaza practic valorile de la echilibru termic. Având IpM < Ipm si InM < Inm, conform relatiei (2.32) rezulta IA < 0, adica jonctiunea va fi strabatuta de un curent invers mic .
    Raportul dintre curentul direct si cel invers, chiar pentru valori mici ale tensiunii directe fata de ale celor inverse, este foarte mare. Astfel pentru jonctiunile din Si acest raport este de 108, iar pentru cele din Ge este de 106. Se poate spune deci, ca o jonctiune pn prezinta o conductie unidirectionala, adica de la regiunea p la regiunea n, când este polarizata direct.
    Pentru jonctiunea pn ideala se poate stabili o expresie analitica a curentului IA in functie de VA. Aceasta expresie, cunoscuta sub numele de ecuatia jonctiunii pn ideale, este:

IA = I0, (2.33)

unde: I0 este curentul de saturatie (curent rezidual) al jonctiunii, reprezentând valoarea constanta catre care tinde curentul IA pentru tensiuni VA negative;

VT26 mV (la T = 300 K) - tensiunea termica.

In figura 2.11 este reprezentata caracteristica statica teoretica a jonctiunii pn ideale.


 
 

Fig. 2.11. Caracteristica statica teoretica a jonctiunii pn ideale (caracteristica teoretica idealizata)

    Ecuatia jonctiunii pn ideale este o relatie fundamentala pentru dispozitivele electronice cu jonctiuni semiconductoare. Ea si caracteristica din figura 2.11 reflecta doua proprietati specifice dispozitivelor electronice:
    1) dependenta neliniara dintre variabilele electrice de la terminale (IA si VA), ceea ce arata ca jonctiunea pn nu asculta de legea lui Ohm;
    2) conductia unidirectionala (intr-un singur sens): prin jonctiune trece un curent mare (de la p la n) când este polarizata direct (VA>0) si un curent foarte mic (practic nul) când este polarizata invers (VA<0).
    Pe aceste doua proprietati se bazeaza functionarea diodelor cu jonctiune pn in aplicatii ca: redresarea curentului alternativ, detectia semnalelor modulate, conversia frecventei etc.
    Daca jonctiunii i se aplica o tensiune continua specificata, VAM, rezultând un curent IAM spunem ca jonctiunea lucreaza in punctul de functionare static (de repaus sau mediu) M(VAM, IAM) (vezi fig. 2.11). De exemplu, daca spunem ca jonctiunea pn lucreaza in punctul M1(0,3 V; 10 mA), se subintelege ca jonctiunea este polarizata direct cu VA = 0,3 V si este strabatuta de curentul IA = 10 mA. In cazul punctului static M2(- 10 V, - 2
m A), jonctiunea este polarizata invers. Ecuatia jonctiunii pn ideale este utilizata adesea sub forma simplificata, daca punctul static este plasat departe de origine. Astfel:
    - pentru polarizari directe cu VA > 3VT (aproximativ VA
ł 0,1 V, la temperatura camerei) se foloseste aproximarea IA » I0 exp;
    - pentru polarizari inverse cu VA
Ł - 3VT (VA Ł - 0,1 V) se foloseste aproximarea IA » - I0.

2.2.5. ABATERI DE LA CARACTERISTICA TEORETICA IDEALIZATA

Caracteristica IA = IA(VA) a jonctiunii pn reale se abate de la idealitate datorita ipotezelor simplificatoare facute la deducerea ecuatiei (1.33), precum si datorita unor fenomene specifice functionarii jonctiunii pn in conditii extreme si care n-au fost luate in discutie.

a) Astfel, ca urmare a fenomenelor de generare - recombinare in regiunea golita, se obtine pentru tensiuni inverse mult mai mari ca VT, o crestere a valorii curentului rezidual la valoarea IS, respectiv reducerea curentului la polarizarea directa si, ca urmare, jonctiunile pn (diodele) reale sunt descrise mai bine de ecuatia:

IA = IS, (2.33)

unde constantele IS si m sunt deduse experimental. Valorile tipice ale lui m sunt cuprinse intre 1 si 2.

b) Odata cu cresterea curentului prin jonctiunea polarizata direct se trece la regimul de nivel mare de injectie. In aceste conditii, cresterea curentului IA cu VA nu mai este exponentiala, ci cu panta mai mica, iar la curenti deosebiti de mari, când largimea regiunii de trecere tinde catre zero, caracteristica VA - IA devine cvasiliniara, comportarea jonctiunii apropiindu-se de cea a unei rezistente.

c) Strapungerea jonctiunii pn

Fenomenul electric de strapungere a jonctiunii pn consta din cresterea puternica a curentului in cazul polarizarii inverse cu o anumita tensiune dupa cum rezulta din figura 2.12.

 

Fig. 2.12. Caracteristica de strapungere a unei jonctiuni pn

In dreptul tensiunii VBR, numita tensiune de strapungere, curentul IR tinde catre Ą .

Observatie. Daca circuitul exterior limiteaza curentul prin jonctiune la o valoare care nu duce la distrugerea structurii prin incalzire excesiva, fenomenul de strapungere este reversibil.

Strapungerea jonctiunii poate fi explicata prin doua efecte:

- multiplicarea in avalansa a purtatorilor de sarcina;

- efectul Zener.

Multiplicarea in avalansa apare la aplicarea unor tensiuni inverse ridicate, când câmpul electric din regiunea de sarcina spatiala atinge valori mari si imprima purtatorilor de sarcina care o strabat o energie crescuta. In urma ciocnirii cu atomii retelei cristaline, un purtator de sarcina poate avea energie suficienta pentru a forma o pereche electron-gol prin ruperea unei legaturi covalente. Acesti purtatori suplimentari sunt antrenati la rândul lor de câmpul electric si pot forma noi perechi electron-gol s.a.m.d., ducând la cresterea curentului. La tensiunea de strapungere, VBR, multiplicarea purtatorilor de sarcina este practic infinita, ducând la cresterea nelimitata a curentului.

Cantitativ, curentul rezultat prin multiplicare in avalansa este dat de relatia:

IR = MI0, (2.35)

unde M este coeficientul de multiplicare in avalansa. Coeficientul M poate fi calculat cu o relatie empirica:

M = , (2.36)

unde n = 4 ¸ 7, valoarea sa depinzând de semiconductor si de gradul de impurificare.

Pentru valori ale tensiunii inverse mai mici de 0,7 VBR, coeficientul M este aproximativ unitar si relatia IR = I0 isi pastreaza valabilitatea.

Pentru concentratii mari de impuritati (> 1018 cm-3) strapungerea jonctiunii nu se mai face prin multiplicare in avalansa, ci prin efect Zener. Acesta consta in aparitia unui numar crescut de purtatori de sarcina prin ruperea unor legaturi covalente sub actiunea directa a câmpului electric. Efectul Zener apare la jonctiunile cu tensiuni mici de strapungere (< 5 V).

Regiunea de strapungere a caracteristicii electrice inverse, unde tensiunea este practic independenta de valoarea curentului se numeste si regiune de stabilizare.

d) Dependenta de temperatura a caracteristicii statice

Caracteristica statica a jonctiunii pn depinde puternic de temperatura, dependenta ce se manifesta prin cresteri ale curentilor atât in cazul polarizarii directe, cât si in cazul polarizarii inverse.

In practica nu intereseaza insa cresterea curentului la tensiune data, ci scaderea tensiunii directe la curent constant, fenomen masurat printr-un coeficient:

cVF = , (2.37)

unde indicele F provine de la "forward" care inseamna "inainte" folosit in sens de "direct".

O valoare medie folosita in practica pentru acest coeficient este - 2 mV/oC.

Temperatura T trebuie masurata la jonctiune (TJ), care este, de regula, mai mare decât temperatura ambianta (TA) datorita disiparii de putere electrica (PD = VAIA):

TJ = TA + Rthj-a PD (2.38)

Rthj-a se numeste rezistenta termica si inglobeaza proprietatile de conductie a caldurii de la jonctiune la mediul ambiant.

2.2.6. JONCTIUNEA PN IN REGIM DINAMIC

Un dispozitiv electronic, in cazul de fata jonctiunea pn, functioneaza in regim dinamic daca tensiunile si curentii la terminale au variatie continua in timp. Obtinem un astfel de regim pentru jonctiunea pn polarizata direct daca peste tensiunea continua VA (de polarizare) se aplica si una variabila in timp va = va(t), numita semnal (tensiune de semnal), ca in figura 2.13.

Fig. 2.13. Jonctiunea pn in regim dinamic

Tensiunea totala pe jonctiune este

vA = VA + va (2.39)

    Un caz particular important este acela in care semnalul are variatie armonica in timp: va = Va sinw t, unde Va reprezinta amplitudinea semnalului aplicat.
    Daca semnalul variaza lent in timp, astfel incât, cu o buna aproximatie, valoarea lui iA din orice moment este determinata de valoarea lui vA din acel moment, ca in regim static (ca si cum iA este curentul continuu determinat de tensiunea continua vA) spunem ca jonctiunea pn functioneaza in regim cvasistationar. Pentru semnalele de audiofrecventa (f < 20 kHz), jonctiunea pn functioneaza in regim cvasistationar.
    Când semnalul variaza rapid in timp, respectiv când semnalul este de inalta frecventa, variatiile lui iA nu le mai urmaresc pe cele ale lui vA. Daca, de exemplu vA scade brusc, iA scade mai lent deoarece, recombinarea purtatorilor necesitând un anumit timp, gradientul concentratiei lor (care determina pe iA) nu poate scadea in ritmul lui vA. Fenomenul poate fi comparat cu cel care se petrece când un condensator, conectat in paralel cu o rezistenta a unui divizor de tensiune, intretine curentul tranzitoriu prin acea rezistenta la scaderea brusca a tensiunii aplicate divizorului. Regimul jonctiunii pn, in care se tine seama ca distributia concentratiei purtatorilor minoritari in exces variaza in timp si cu distanta de-a lungul regiunii neutre respective se numeste regim nestationar.
    a) Regimul dinamic de semnal mic
    Presupunem ca jonctiunea functioneaza in regim cvasistationar. Inlocuim in (2.33) pe VA cu vA dat de relatia (2.39). Rezulta:

    iA = I0=

. (2.40)

    Presupunând ca va/VT < 1, atunci:
(2.41)

    Daca am inlocui (2.41) in (2.40) ar rezulta pentru iA o componenta constanta si un sir de componente variabile proportionale cu va, va2, . Suma componentelor variabile constituie raspunsul la semnalul va. Este clar ca relatia semnal de intrare - raspuns este neliniara. Aceasta este consecinta caracterului neliniar al caracteristicii VA - IA, respectiv al ecuatiei jonctiunii ideale (2.33). In particular, daca semnalul va este sinusoidal, raspunsul ia va rezulta distorsionat (deformat), deci nesinusiodal.
    Intr-o serie de aplicatii ale dispozitivelor electronice (in special ale celor active, caracterizate de faptul ca pot amplifica semnalele), se urmareste obtinerea unui raspuns proportional cu semnalul, adica a unei relatii liniare intre semnalul de intrare si raspuns. Se spune in acest caz ca dispozitivul are o comportare liniara.
    Examinând relatia (2.41), rezulta ca jonctiunea pn se comporta liniar pentru semnalul de intrare va, daca dintre termenii dezvoltarii in serie dependenti de va, doar cel liniar (va/VT) este important, ceilalti putând fi neglijati. Neglijarea celorlalti se poate face daca cel mai mare dintre ei, adica  este mult mai mic decât cel liniar, deci daca este indeplinita conditia

, (2.42)

    numita conditie de semnal mic. Prin urmare conditia de semnal mic cere ca modulul maxim al tensiunii de semnal sa fie cel putin cu un ordin de marime inferior tensiunii termice. Deoarece VT » 26 mV la temperatura camerei, iar caracteristica experimentala vA - iA este mai putin neliniara decât cea data de ecuatia (2.40), in practica se considera ca semnalul va este mic daca Ł 10 mV. Daca aceasta conditie este indeplinita, spunem ca jonctiunea pn functioneaza in regim dinamic de semnal mic.
    Daca semnalul este sinusoidal, adica va = Va sin
w t, el este considerat ca fiind mic daca Va Ł 10 mV. Cu un asemenea semnal aplicat pe jonctiune, aceasta functioneaza in regim dinamic armonic, unde atât va cât si ia au variatie armonica (sinusoidala) (vezi fig. 2.14).
    In figura 2.14 s-au reprezentat marimile va si ia corespunzatoare functionarii jonctiunii pn in regim static (t < 0) si dinamic armonic (t > 0) folosind conventia de notare recomandata de CEI (Comisia Electrotehnica Internationala). Astfel, pentru:

·         componenta continua (medie, de repaus), simbolul si indicele sunt litere mari (VA, IA);

·         componenta variabila, simbolul si indicele sunt litere mici (va, ia);

·         amplitudinea componentei variabile, simbolul este litera mare, iar indicele litera mica (Va, Ia);

·         variabila totala, simbolul este litera mica, iar indicele este litera mare (vA, iA).

Fig. 2.14. Ilustrarea regimului dinamic de semnal mic (armonic)

pentru o jonctiune pn

b) Parametrii de semnal mic

- Rezistenta interna (dinamica, diferentiala) se defineste ca

. (2.43)

Daca consideram punctul static de functionare al jonctiunii ca fiind M0(VA0, IA0) (vezi fig. 2.15), atunci pentru rezistenta interna rezulta definitia echivalenta:

. (2.44)

Fig. 2.15. Definirea rezistentei interne a jonctiunii pn

    Semnalul fiind mic, punctul dinamic M(vA, iA) exploreaza pe caracteristica statica o portiune M1M2, practic liniara, apartinând tangentei in punctul M0 la caracteristica statica. Se poate da urmatoarea interpretare grafica lui Ri:

    Ri = tg g , (2.45)

    unde D VA si D IA sunt variatiile finite ale lui VA si IA in jurul punctului static de functionare cu limitele M1 si M2.
    Aplicând definitia (2.44) ecuatiei jonctiunii pn ideale se obtine:

    . (2.46)

    Retinem ca in regim dinamic cvasistationar de semnal mic, jonctiunea pn poate fi modelata (echivalata) pentru componentele de semnal va si ia printr-un rezistor având valoarea rezistentei interne (vezi fig. 2.16).

Fig. 2.16. Circuitul echivalent de semnal mic al jonctiunii pn

in regim cvasistationar

    Circuitul din figura 2.16 se numeste circuitul (modelul) echivalent de semnal mic al jonctiunii pn in regim cvasistationar (pentru frecvente joase la care elementele reactive ale jonctiunilor si terminalelor se pot neglija). Acestui circuit i se aplica legea lui Ohm, care insa este valabila numai in punctul de functionare M0 in care a fost evaluata Ri pentru semnal va mic. Ri reprezinta cel mai important parametru de semnal mic al jonctiunii pn.
    Urmatorii parametri de semnal mic sunt caracteristici regimului nestationar al jonctiunii pn. Acestia sunt:
    - Capacitatea de difuzie, Cd, se datoreaza excesului de purtatori minoritari introdusi prin injectie in regiunile neutre. Cd va exista in special in conductie directa când are loc injectia puternica de purtatori minoritari in regiunile neutre. Pentru capacitatea de difuzie se obtine:

Cd = Cd0 exp, (2.47)

unde Cd0 reprezinta capacitatea de difuzie la VA = 0.
Cd depinde de punctul static de functionare al jonctiunii si este mare la polarizari directe. Pâna la frecvente de 105 Hz Cd se poate determina cu relatia (2.47), iar pentru frecvente mai mari trebuie luata in considerare admitanta jonctiunii.

- Capacitatea de bariera, Cb, se datoreaza sarcinilor spatiale din regiunea de trecere. Ea este data de relatia:

    , (2.48)

unde V0 este bariera de potential a jonctiunii pn.

c) Circuitul echivalent de semnal mic
Circuitul echivalent de semnal mic al jonctiunii pn este cel reprezentat in figura 2.17.

Fig. 2.17. Circuitul echivalent de semnal mic al jonctiunii pn

Acest circuit echivalent capata forme particulare in functie de polarizarea de curent continuu a jonctiunii.
La polarizare directa, la tensiuni normale de lucru (ex. 0,6 - 0,7 V pentru Si), conteaza capacitatea de difuzie, cea de bariera putându-se neglija.
La polarizare inversa (pentru  > 3VT) capacitatea de difuzie este neglijabila, contând numai cea de bariera. La acest tip de polarizare Ri se considera infinita.
Circuitul echivalent se poate completa cu rezistenta serie a jonctiunii (de altfel foarte mica), RS, reprezentând rezistenta regiunilor neutre (in figura 2.17 reprezentata punctat).

2.3. DIODE SEMICONDUCTOARE

Diodele semiconductoare, in marea lor majoritate, sunt realizate pe baza jonctiunii pn, existând o mare varietate de tipuri.

2.3.1. DIODE REDRESOARE

Fig. 2.18. Simbolul diodei redresoare

    Simbolul utilizat pentru dioda redresoare este semnul general al diodei semiconductoare (fig. 2.18).
     Simbolul sugereaza ca dispozitivul conduce intr-un singur sens, cel direct (de la A la C), care este indicat de sageata. Aceasta proprietate, de conductie unidirectionala, este fundamentala pentru dioda redresoare.
    O dioda redresoare ideala ar trebui sa posede o caracteristica statica de forma celei din figura 2.19, adica dispozitivul sa se comporte ca un scurtcircuit (rezistenta nula) in sens direct si ca un intrerupator deschis (rezistenta infinita) in sens invers.

Fig. 2.19. Caracteristica statica a diodei ideale

    Caracteristicile diodelor redresoare ideale difera atât de forma ideala (fig. 2.19) cât si de caracteristica jonctiunii pn ideale. In figura 2.20 sunt prezentate caracteristicile statice ale diodelor redresoare reale cu Si si Ge.
    In sens direct, curentul prin dioda apare, practic, numai de la o anumita tensiune aplicata, numita tensiune de deschidere, VD (sau de prag VP), cu valori de 0,2 - 0,3 V la Ge si 0,6 - 0,7 V la Si. Din acest punct de vedere, dioda redresoare cu Ge este mai avantajoasa, randamentul de redresare fiind mai bun.
 

Fig. 2.20. Caracteristicile diodelor redresoare reale cu Si si Ge

    In sens invers curentul IR = 1 ¸ 100 nA pentru Si si IR = 0,1 ¸ 10 m A pentru Ge. (IR este omologul experimental a lui I0 din caracteristica statica a jonctiunii pn ideale). Din acest punct de vedere diodele redresoare cu Si sunt mai performante.
    Cresterea curentului invers cu VR este foarte lenta, dar in apropierea unei tensiuni VBR, numita tensiune de strapungere (breakdown), curentul creste rapid si este limitat doar de rezistenta circuitului exterior. O astfel de rezistenta trebuie asigurata intotdeauna in circuit, altfel existând riscul ca strapungerea sa devina termica, deci ireversibila, deteriorând dioda. Datorita lui IR mai mic diodele redresoare cu Si functioneaza pâna la temperaturi sensibil mai mari (150 . 200oC) decât cele la care functioneaza diodele redresoare cu Ge (80 .90oC). Din Si se pot realiza diode care sa functioneze la tensiuni vR mult mai mari decât cele cu Ge. Principalii parametri de catalog ai diodelor redresoare sunt: curentul direct (forward) admisibil ID (sau IF), curentul de vârf maxim IDM (IFM) si tensiunea inversa maxima VINVM (VRM).
    De mentionat ca valorile ID si IDM din catalog sunt valorile pentru temperatura ambianta indicata, adesea 25oC.
    Pentru o temperatura ambianta oarecare TA trebuie intâi calculata puterea disipata maxim admisibila PDM si apoi curentii ID si IDM. PDM se calculeaza cu relatia:

PDM, (2.49)

    unde Tjmax este temperatura maxima a jonctiunii, iar Rthj-a este rezistenta termica (vezi relatia (2.38)).

2.3.2. DIODE DETECTOARE

Diodele detectoare se folosesc pentru demodularea semnalelor radio, video etc. Functia lor este asemanatoare redresarii, dar semnalele prelucrate au, de regula, frecvente mari (sute de kHz - MHz - GHz) si puteri nesemnificative. De aceea, structurile au arii mici in vederea micsorarii capacitatilor jonctiunii pn.

2.3.3. DIODE DE COMUTATIE (DE IMPULSURI)

Diodele de comutatie sunt folosite in circuitele de impulsuri, principalii parametri fiind timpii de comutatie din polarizare directa in polarizare inversa si in sens contrar. Pentru marirea vitezei de comutatie trebuie redus timpul de viata al purtatorilor mobili de sarcina, care se realizeaza tehnologic prin impurificarea structurii cu diverse materiale (de ex. in cazul Si se foloseste Au). Diodele de comutatie au timpii minimi de comutatie de circa 5 ns.

2.3.4. DIODE VARICAP (VARACTOARE)

Diodele varicap servesc drept condensatoare cu capacitate variabila realizata pe cale electrica, având utilizari in circuite acordate, oscilatoare, filtre etc. Pentru a fi folosita in acest scop, dioda trebuie polarizata invers, iar schema echivalenta a jonctiunii va cuprinde doar capacitatea de bariera. Marimea capacitatii de bariera se controleaza prin valoarea tensiunii inverse aplicate. Simbolul diodei varactor este cea din figura 2.21.

Fig. 2.21. Simbolul diodei varactor

2.3.5. DIODE STABILIZATOARE

Diodele stabilizatoare cunoscute si sub numele de diode Zener sunt diode care functioneaza normal in zona de strapungere, deci polarizata invers. Strapungerea se realizeaza fie prin efect Zener pentru tensiuni de strapungere mai mici de 5 V fie prin multiplicare in avalansa la tensiuni de strapungere mai mari. Scopul urmarit este acela ca la terminalele ei sa se mentina practic constanta o tensiune (de valoare uzuala) când curentul variaza in limite relativ largi. In figura 2.22. sunt date caracteristica tipica si simbolurile diodei Zener.

Dupa cum se observa, forma caracteristicii statice este cea a unei diode obisnuite. Aplicând o tensiune inversa, la o valoare VZ, numita tensiune Zener, apare fenomenul de strapungere, curentul invers prin dioda crescând brusc. Strapungerea este insa nedistructiva, pentru ca, datorita rezistentei din circuitul exterior curentului nu i se permite sa depaseasca valoarea maxima admisibila IZM, corespunzatoare puterii disipate maxime PDM. Dioda Zener este astfel construita ca pâna la aceasta putere disipata sa nu apara efecte termice care ar conduce la strapungerea distructiva.
 
 

a) b)

Fig. 2.22. Caracteristica statica (a) si simbolul diodei Zener (b)

Se observa ca, daca punctul de functionare al diodei Zener ramâne in zona delimitata de un punct initial M1, care marcheaza instalarea strapungerii si punctul MM de intersectie a caracteristicii statice cu hiperbola de disipatie maxima, tensiunea pe dioda Zener nu se modifica practic, desi curentul poate sa se modifice in limite largi. Aceasta zona unde se mentine tensiunea pe dioda aproape constanta si egala cu VZ poarta numele de regiune Zener sau regiune de stabilizare sau regiune normala de functionare.

Principalul parametru de catalog al diodei Zener este tensiunea Zener, VZ cuprinsa intre zecimi de volt si sute de volti.

Parametrul prin care se apreciaza capacitatea de stabilizare a diodei Zener este rezistenta dinamica.

(2.50)

Valorile tipice ale lui Riz sunt intre unitati si zeci de W .

2.3.6. DIODE SCHOTTKY

Contactul metal - semiconductor este o structura fizica care intra in constructia tuturor dispozitivelor electronice. Principala sa functie este de a contacta diverse regiuni semiconductoare in vederea conectarii la terminalele dispozitivului. In acest caz contactul trebuie sa prezinte o rezistenta foarte mica in ambele sensuri de polarizare. Un astfel de contact se numeste contact ohmic.

Contactul metal - semiconductor poate avea si conductie unilaterala, in acest caz purtând denumirea de contact redresor. Contactele redresoare stau la baza constructiei diodelor Schottky. Obtinerea functionarii ohmice sau redresoare a contactului metal - semiconductor se face prin alegerea metalului, a semiconductorului si a gradului de impurificare. S-a constatat ca contactul metal - semiconductor de tip n are caracter redresor, pe când cel metal - semiconductor de tip p are caracter ohmic. In figura 2.23, a este prezentata structura unei diode Schottky, iar in figura 2.23, b simbolul acesteia.

a) b)
 
 
 
 

Fig. 2.23. Dioda Schottky: a) structura; b) simbol

Metalizarea superioara se realizeaza din aluminiu, iar cea inferioara din aur. Aluminiul impreuna cu semiconductorul de tip n realizeaza structura metal - semiconductor cu caracter redresor. Pe spatele dispozitivului, contactul dintre aur si semiconductorul n+ (puternic impurificat) realizeaza un contact ohmic.

Principalul avantaj al diodelor Schottky fata de cele cu jonctiune pn este ca pot lucra la frecvente foarte ridicate, având timpi de comutatie ce pot ajunge la 100 ps. Şi acest tip de diode prezinta fenomenul de strapungere pentru tensiuni inverse mari.

Dioda Schottky este utilizata in detectoarele de frecvente foarte inalte, in redresoare de putere care lucreaza la frecvente ridicate, in circuitele integrate (TTL - Schottky) pentru cresterea vitezei de comutare etc.

2.3.7. DIODE TUNEL

Diodele tunel (Esaki) prezinta o caracteristica statica având o zona cu rezistenta negativa (vezi fig. 2.24, a). Simbolul diodei tunel este cel prezentat in figura 2.24, b.

La baza functionarii diodelor tunel se gaseste asa-numitul efect tunel. Efectul tunel consta in faptul ca un electron cu energie mai mica decât bariera energetica corespunzatoare barierei de potential reuseste sa treaca dincolo de aceasta nu peste bariera ci prin aceasta (ca printr-un tunel).

a) b)

Fig. 2.24. Dioda tunel: a) caracteristica statica; b) simbol

    Diodele tunel au concentratii mari de impuritati atât in zona p cât si in zona n (jonctiune de tip p+n+). De aceea, regiunea de trecere este foarte ingusta in raport cu diodele obisnuite.
    La polarizare directa caracteristica poseda o zona AB de rezistenta negativa. La polarizare inversa dioda tunel nu are regim de saturatie, ci are o rezistenta interna foarte mica. De aceea o inversare a tensiunii pe dioda tunel poate duce la distrugerea acesteia.
    Diodele tunel au o viteza de comutare foarte mare.
    Diodele tunel, spre deosebire de celelalte diode au posibilitatea de a amplifica semnalele, fiind utilizate la constructia de amplificatoare din domeniul microundelor.
    Datorita existentei rezistentei negative, diodele tunel sunt folosite la realizarea de oscilatoare armonice.

2.4. APLICATII ALE DIODELOR SEMICONDUCTOARE

2.4.1. REDRESAREA CURENTULUI ALTERNATIV

    Redresoarele fac parte din blocurile de alimentare, care asigura transformarea puterii de curent alternativ in putere de curent continuu.
    Redresorul monoalternanta, reprezentat in figura 2.25, a, este cel mai simplu circuit de redresare. Dioda conduce doar pe durata alternantei pozitive a lui v2, pe durata celei negative fiind blocata.

Redresorul bialternanta in punte, reprezinta cel mai des intâlnit tip de redresor. Schema redresorului in punte este prezentata in figura 2.26, a.

Fig. 2.26. Redresorul bialternanta in punte: a) schema redresorului;

b) desen explicativ pentru redresarea bialternanta;

c) influenta condensatorului C (de netezire) introdus in circuit

    Conform schemei din figura 2.26, a, pentru alternanta pozitiva v1+, diodele D1 si D3 vor fi polarizate direct, iar diodele D2 si D4 vor fi polarizate invers. In consecinta, traseul parcurs de curentul electric (® ) va fi de la borna superioara a transformatorului, prin dioda D1, rezistorul R, dioda D3 la borna inferioara a acestuia.
    Pentru alternanta negativa, v1-, diodele D2 si D4 se vor afla in conductie, iar D1 si D2 in stare de blocare. Traseul parcurs de curentul electric (- - -
® ) va fi de la borna inferioara a transformatorului, prin D2, R, D4 la borna superioara a acestuia.
    Curentul mediu redresat (obtinut prin medierea in timp a lui i), se calculeaza cu relatia:

    , (2.51)

    unde IM are semnificatia din fig. 2.25, b.

2.4.2. DETECTIA

    Demodularea (sau detectia) este procesul prin care se extrage semnalul modulator din semnalul modulat.
    Schema redresorului monoalternanta poate fi folosita ca si detector de vârf (demodulator) pentru semnale modulate in amplitudine (fig. 2.27).

Fig. 2.27. Detector de vârf: a) schema;

b) semnalele ce intervin in procesul de detectie

    In figura 2.27, b este ilustrata functionarea detectorului de vârf. Un semnal sinusoidal de frecventa fp (semnal purtator) este modulat in amplitudine de un semnal, presupus pentru simplitate ca fiind tot sinusoidal (semnal modulator) de frecventa fm << fp. Constanta de timp a circuitului, egala cu CR, trebuie aleasa de asa maniera incât semnalul de la iesirea demodulatorului sa urmareasca infasuratoarea (semnalul modulator). Condensatorul se incarca atunci când dioda conduce si se descarca atunci când ea este blocata.

2.4.3. CIRCUITE DE LIMITARE

    Circuitele de limitare sunt utilizate pentru a margini domeniul de variatie al semnalelor la anumite valori precizate. Un astfel de circuit este limitatorul simetric din figura 2.28.

Fig. 2.28. Limitatorul simetric

    Pentru tensiuni de intrare cuprinse intre - VD si + VD (s-au presupus diodele identice) diodele D1 si D2 sunt blocate astfel incât vo = vi. Pentru vi < - VD dioda D1 va fi deschisa, iar vo = - VD, restul tensiunii vi cazând pe R. Acelasi lucru se intâmpla daca vi > VD, când dioda D2 va fi deschisa si vo = + VD.
    Circuitul din figura 2.29 este intrebuintat pentru limitarea superioara a tensiunii de iesire. Limita maxima a tensiunii de iesire este (E + VD).


Document Info


Accesari: 10413
Apreciat:

Comenteaza documentul:

Nu esti inregistrat
Trebuie sa fii utilizator inregistrat pentru a putea comenta


Creaza cont nou

A fost util?

Daca documentul a fost util si crezi ca merita
sa adaugi un link catre el la tine in site

Copiaza codul
in pagina web a site-ului tau.

 


Copyright © Contact (SCRIGROUP Int. 2014 )