SECONDA LEZIONE: La giunzione P-N

Osservazioni
Per agevolare la comprensione di questo argomento è necessario l'utilizzo di immagini, per ciò verrà utilizzato in aula un videoproiettore,e ovviamente gli alunni verranno invitati a visitare il blog per approfondire maggiormente gli argomenti trattati.


LA GIUNZIONE P - N

Un semiconduttore omogeneo, ossia con caratteristiche uniformi al suo interno, ad una data temperatura si comporta come una normale resistenza, sia esso puro (intrinseco), o drogato. Esso fa passare una certa intensità di corrente elettrica seguendo la legge di Ohm, indipendentemente dal senso in cui si applica la tensione ai suoi estremi.Le applicazioni pratiche dei semiconduttori in generale non si basano su materiali omogenei, ma su monocristalli nei quali è stata artificialmente creata una più o meno brusca variazione nel drogaggio, vicino ad una superficie piana all’interno del cristallo stesso: una giunzione p – n, che separa due zone di diversa concentrazione di portatori di carica (elettroni o lacune) e di cariche fisse. La maggior parte dei dispositivi a semiconduttore contiene giunzioni p – n.











Intorno alla giunzione p – n, nasce una zona particolare detta zona di svuotamento.

La zona di svuotamento o “depletion layer” è una stretta regione attorno alla superficie di separazione della giunzione p – n, in cui non vi so
no portatori liberi di carica. Si hanno cioè donori senza i relativi elettroni nella parte n e accettori senza le relative lacune nella parte p. Ne segue che la parte n della zona di svuotamento è elettricamente carica con segno positivo, mentre la parte p è carica negativamente. Questa presenza di cariche non neutralizzate crea una barriera di potenziale crescente secondo il verso di penetrazione della giunzione da P a N.

La barriera di potenziale

La presenza di carica positiva nella zona n e di carica negativa nella zona p dà origine ad un campo elettrico in prossimità della giunzione.
Il campo elettrico interno della giunzione p - n dipende dalla posizione: ha intensità massima nella zona centrale, ovvero nella zona di svuotamento, mentre si annulla alle due estremità del cristallo. In una condizione di questo tipo le due grandezze, energia e posizione dei portatori, sono strettamente collegate, quindi, spostare un portatore equivale a cambiare il valore della sua energia potenziale.
La barriera di potenziale tende, dunque, ad opporsi al passaggio della corrente di diffusione, prodotta dalle cariche maggioritarie (solo le cariche con energia sufficiente a vincere la barriera di potenziale ovvero le cariche con energia pari almeno a riescono a passare), e favorisce invece una corrente di deriva in senso opposto (a causa del campo elettrico prodotto dalla barriera di potenziale) prodotta dalle cariche minoritarie. La giunzione PN è pertanto contemporaneamente attraversata da due correnti di verso opposto: una di diffusione inizialmente più grande, ma in diminuzione al crescere della barriera di potenziale, e una di deriva in aumento. Quando queste due correnti diventano uguali si raggiunge una situazione di equilibrio e la barriera di potenziale rimane costante.

POLARIZZAZIONE DELLE GIUNZIONE P - N

Vediamo che cosa succede quando viene applicato un campo elettrico esterno alla giunzione p – n, per mezzo di una batteria che eroga la tensione V. Come vedremo questa si comporta in modo differente a seconda se il campo elettrico esterno (la tensione) è concorde o discorde con il campo elettrico interno della barriera di potenziale.

Polarizzazione diretta V>0
Quando il potenziale esterno V ha segno positivo i portatori maggioritari, elettroni della zona n e lacune della zona p, “sentono” un'altezza della barriera di potenziale più piccola e pari a V0 - V (dove V0 è il valore della barriera a giunzione aperta). La giunzione si trova ora in una condizione di non-equilibrio e attraverso il circuito si stabilisce una corrente. In pratica, un numero molto elevato di portatori maggioritari ha in questo caso un'energia sufficiente per scavalcare la barriera di potenziale e raggiungere il terminale elettrico sul lato opposto della giunzione dando origine alla corrente di diffusione. Qua, le cariche, per mezzo del generatore di tensione, sono ricondotte sul lato iniziale della giunzione.
Contemporaneamente, i portatori minoritari, elettroni nella zona p e lacune nella zona n, si spostano in direzione opposta dando origine alla corrente di drift che non subisce variazioni in seguito alle variazioni di V e risulta, chiaramente, di piccola entità.
Dunque, quando la giunzione è polarizzata in modo diretto si ha, maggiormente, iniezione di elettroni dalla zona n alla zona p e di lacune in verso opposto: spostamento di portatori maggioritari.
Tale corrente assume valori significativi per una tensione esterna superiore a un certo valore chiamato tensione di soglia ed indicata di solito con Vf o Vg, che per una giunzione al Si vale 0.5-0.7 V, mentre per una giunzione al Ge vale 0.2-0.4 V Nella polarizzazione diretta si avrà un equilibrio tra le bande ai lati della giunzione, e la corrente potrà fluire tranquillamente nella giunzione.


Polarizzazione inversa V<0
Quando il potenziale esterno V ha segno negativo i portatori maggioritari “sentono” un'altezza della barriera della giunzione più grande e pari a V0 + V . In altri termini una tensione negativa rende "energeticamente" più distanti le due regioni della giunzione. In questa condizione, detta di "polarizzazione inversa", la giunzione si trova in uno stato di non equilibrio e attraverso il circuito si stabilisce un flusso costante, sebbene molto debole, di portatori di carica. Infatti, un numero sempre maggiore di portatori maggioritari non ha energia sufficiente per attraversare la giunzione (elettroni che vanno da n a p, lacune da p a n). Viceversa la corrente di drift, dovuta al passaggio dei minoritari, non viene modificata dalla variazione della barriera. La condizione di equilibrio non è più soddisfatta: la corrente di drift è più grande della corrente di diffusione e nel circuito si stabilisce un flusso costante di portatori di carica. La corrente che scorre attraverso la giunzione è in pratica la corrente di drift (proporzionale alla densità dei minoritari nelle due zone della giunzione) ed ha quindi un'intensità così bassa (pochi µ A) da risultare trascurabile rispetto alla corrente che scorre in condizioni di polarizzazione diretta.
La corrente inversa dipende molto poco dalla tensione di polarizzazione. In pratica, applicando una tensione negativa di pochi decimi di Volt si raggiunge il valore limite di corrente che può scorrere in una giunzione polarizzata inversamente (corrente inversa di saturazione).
Dunque: quando la giunzione è polarizzata in modo inverso si ha, maggiormente, iniezione di elettroni dalla zona p alla zona n e di lacune in verso opposto: spostamento di portatori minoritari.
Nella polarizzazione inversa si avrà un'accentuazione dell'inclinazione delle bande ai lati della giunzione, e la corrente sarà dovuta solo alle cariche minoritarie che trovano una situazione loro favorevole.