Diodo a giunzione
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Il diodo a giunzione è stato il primo dispositivo a semiconduttore reso disponibile commercialmente, negli anni '40 del XX secolo.
Esso viene attualmente realizzato utilizzando prevalentemente cristalli di Silicio drogati ad un'estremità (chiamata zona p) con atomi di Boro ed all'altra (chiamata zona n) con atomi di Fosforo. Tra la zona p e la zona n vi è una relativamente piccola zona di transizione dove il tipo del drogaggio del semiconduttore varia bruscamente, per cui questa area del cristallo viene usualmente definita giunzione p-n.
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Nella figura precedente è schematizzato il cristallo di Silicio, con la zona n, drogata con gli atomi di Fosforo, a destra e la zona p, drogata con gli atomi di Boro, a sinistra; nel contempo, è possibile fare un parallelo con il simbolo circuitale del diodo: la zona n corrisponde alla parte a destra, quella con la sbarra orizzontale, ed il terminale corrispondente viene chiamato usualmente catodo, mentre la zona p corrisponde alla parte a sinistra, quella con il triangolo, ed il corrispondente terminale viene chiamato usualmente anodo.
Indice |
[modifica] Giunzione p-n
Come si vede dalla figura il diodo a giunzione tipo p-n crea intorno alla regione di carica spaziale un gradiente di carica: le lacune dalla zona tipo p tenderanno a spostarsi verso la zona n e viceversa gli elettroni tenderanno a spostarsi verso la zona tipo p, questo fenomeno è chiamato Diffusione. Nel punto di giunzione avviene il fenomeno della ricombinazione: le lacune e gli elettroni si ricombinano e quindi si ha una piccola regione di svuotamento o regione di carica spaziale. Lo spessore di questa regione è dell'ordine di 0,5μm. Immediatamente a destra e a sinistra di detta regione vi è un accumulo di cariche come indicato nel primo diagramma della figura.
Il secondo diagramma mostra il campo elettrico in modulo, che si crea nella regione di carica spaziale: esso è dovuto al doppio strato che si viene a formare per la presenza delle densità di cariche positive e negative accumulate in vicinanza del punto di giunzione. Questo campo elettrico ha direzione da n a p ed è negativo in modulo. Esso si oppone ad un ulteriore passaggio di cariche da una zona all'altra, cioè si oppone alla diffusione di carica e si ha equilibrio.
dove ρ è la densità di carica ed ε la costante dielettrica assoluta del materiale.
Nel terzo diagramma della figura si vede l'andamento del potenziale elettrostatico nella regione di carica spaziale: esso è l'integrale del campo elettrico:
che crea una barriera di potenziale che si oppone alla diffusione di cariche entro la giunzione.
[modifica] Giunzione p-n polarizzata
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Per approfondire, vedi la voce Giunzione p-n. |
Nella figura riportata sono rappresentate le due polarizzazioni del diodo a giunzione. Applicando una tensione V con il morsetto negativo alla zona p e con il morsetto positivo alla zona n il diodo è polarizzato inversamente. La presenza di questa tensione provoca un aumento della barriera di potenziale V0 + V, si ha dunque una riduzione del flusso di cariche maggioritarie, cioè gli elettroni dal lato n e le lacune dal lato p, sono impediti ad attraversare la barriera. Non sono influenzati invece i portatori di carica minoritari, cioè le lacune dal lato n e gli elettroni dal lato p, che quindi contribuiscono a creare una corrente indicata in figura, chiamata corrente di saturazione inversa I0.
Nella seconda figura invece i morsetti vengono ribaltati, il morsetto positivo del generatore di tensione viene collegato al lato p e quello negativo al lato n: si ha polarizzazione diretta. In questo caso la tensione V viene sottratta V0 − V abbassando la barriera di potenziale non sussiste più l'equilibrio e gli elettroni della zona n (portatori maggioritari) tendono a spostarsi verso la zona p e viceversa le lacune dalla zona p si spostano verso la zona n: la loro somma crea una corrente diretta nel diodo.
[modifica] Giunzione p-n in Corto circuito
Se in entrambi i casi di polarizzazione si pone la tensione V = 0 succede che la giunzione va in corto circuito: in questa situazione non vi è passaggio di corrente I = 0 (eccetto che per un breve periodo transiente durante il quale si raggiunge l'equilibrio) e la tensione rimarrebbe quella V0.
[modifica] Giunzione p-n come circuito aperto
Consideriamo ora solo il caso di polarizzazione diretta: se la tensione di polarizzazione diretta V diventa uguale a V = 0 cioè V = V0, la barriera di potenziale si annullerebbe e la corrente può viaggiare entro il circuito liberamente aumentando indefinitivamente fino a che il diodo non si rompe. In realtà questo non succede perché la corrente circolante viene da un certo punto in poi limitata dai contatti ohmici ai lati del diodo e dalla resistenza intrinseca del diodo. In tal caso la tensione di polarizzazione applicata non è più relazionata alla corrente presente nel diodo ma è il risultato di componenti come i contatti ohmici ai lati del diodo e della resistenza di massa del diodo. In questo modo il diodo si comporta come se fosse a circuito aperto, diventando un componente lineare.
[modifica] Caratteristica tensione-corrente
William Bradford Shockley trovò una relazione per modellizzare in termini matematici un'approssimazione ideale della caratteristica tensione-corrente di un diodo a giunzione p-n, denominata quindi in suo onore equazione del diodo ideale di Shockley.
I diodi a giunzione p-n realizzati con cristalli di silicio ed approssimabili tramite l'equazione di Shockley vengono costruiti per presentare una perdita di potenziale pari a circa 0,7 V a temperatura ambiente quando polarizzati in diretta, per cui viene detto che la loro tensione di lavoro è pari appunto a 0,7 V. In corrispondenza della tensione di lavoro, vi è ovviamente un'unica intensità di corrente di lavoro, il che implica che il diodo deve essere correttamente dimensionato quando utilizzato nei circuiti elettronici, per far sì che l'intensità di corrente ai capi del dispositivo non superi mai la massima intensità di corrente prevista per quello specifico diodo, parametro spesso denominato intensità di corrente nominale.
I diodi a giunzione p-n reali hanno una caratteristica tensione corrente molto simile a quella di quelli ideali, con una sola maggiore differenza: quando polarizzati in inversa, presentano un valore di fabbrica chiamato tensione di rottura o tensione di breakdown (Vmax) oltre il quale si formerebbero delle scariche elettriche tali da provocare la distruzione del diodo poiché la corrente aumenterebbe (in valore assoluto) in modo brusco e la giunzione si comporterebbe in modo simile ad un generatore ideale di tensione.
