Elettronica - il diodo - Appunti

Il diodo a giunzione

La giunzione pn

Come si è detto a proposito dei meccanismi di conduzione della corrente nei semiconduttori, i portatori liberi tendono a spostarsi dalle zone a concentrazione maggiore verso le zone a concentrazione minore, dando origine alla corrente di diffusione. Supponiamo allora di avere un cristallo di silicio di tipo n tale che la concentrazione di drogante donore non è uniforme, ma varia lungo una certa direzione x, come mostra la figura seguente.

Figura 3.1: Drogaggio non uniforme

Per diffusione, gli elettroni tendono a spostarsi da sinistra a destra. Ciò, però, lascia scoperti gli ioni donori positivi, provocando la comparsa di un campo elettrico E, diretto da destra verso sinistra, che impedisce l’ulteriore migrazione dei portatori liberi, il che avviene quando la tendenza degli elettroni a spostarsi per diffusione verso sinistra viene equilibrata da un’identica tendenza a spostarsi per deriva nella direzione opposta a quella del campo elettrico.

Questa situazione di equilibrio tra diffusione e deriva dei portatori liberi si verifica anche nel caso in cui vengono posti in contatto un cristallo di silicio di tipo n e uno di tipo p. Tale struttura, chiamata giunzione pn, rappresenta il più semplice esempio di dispositivo elettronico allo stato solido.

Figura 3.2: Giunzione pn e tendenza alla diffusione dei portatori maggioritari

Come si indica in figura, gli elettroni tendono a passare nella regione in cui essi sono minoritari, per diffusione, così come le lacune si spostano verso la regione di tipo n, per lo stesso fenomeno. Questa migrazione di portatori liberi lascia scoperta una certa quantità di ioni positivi donori nella regione n e altrettanti ioni negativi accettori nella regione p, come visualizzato nella figura seguente.

Figura 3.3: Giunzione pn all’equilibrio e formazione della regione di carica spaziale

La regione a ridosso della giunzione, ormai svuotata di portatori liberi, si chiama appunto regione di svuotamento o regione di carica spaziale. All’equilibrio, la sua estensione nelle due regioni di semiconduttore drogate in modo diverso dipende dai relativi livelli di drogaggio N_D e N_A.

Infatti, affinché sia assicurata la neutralità elettrica dell’intera struttura (la carica totale netta contenuta deve essere nulla), la regione di carica spaziale si estenderà di più nella regione di semiconduttore caratterizzata da concentrazione inferiore di drogante. All’interno della regione di carica spaziale esiste ovviamente un campo elettrico E, a causa della presenza delle cariche fisse. Tale campo elettrico si oppone alla diffusione dei portatori liberi, per cui si raggiunge un equilibrio tra diffusione e deriva dei portatori stessi.

Esiste quindi anche una differenza di potenziale che si localizza ai capi della struttura. Se però chiudiamo un circuito elettrico con un conduttore, come indicato nella figura seguente, non otteniamo alcuna corrente, in quanto alle giunzioni tra il semiconduttore e il metallo usato come conduttore, in modo del tutto analogo a quanto descritto per la giunzione pn, si formano delle regioni di svuotamento e delle cadute di potenziale (potenziali di contatto) che inibiscono il passaggio di una corrente.

Figura 3.4: Giunzione pn cortocircuitata

La giunzione pn è in pratica un diodo allo stato solido. Si tratta di un elemento a due terminali e il suo simbolo circuitale è mostrato nella figura seguente, assieme alle convenzioni di segno che verranno adottate nel seguito per la tensione e la corrente nel dispositivo. Il catodo corrisponde alla regione di tipo n, mentre l’anodo corrisponde alla zona drogata di tipo p.

Figura 3.5: Diodo a giunzione: simbolo circuitale e convenzioni di segno

La giunzione pn in polarizzazione inversa

Quando la tensione ai capi della giunzione pn è negativa, secondo la convenzione definita nella figura precedente, allora si dice che la giunzione è polarizzata inversamente. In pratica, quindi, si ha polarizzazione inversa se V_D < 0, come illustrato nella figura seguente.

Figura 3.6: Diodo polarizzato inversamente

A causa della polarizzazione imposta alla struttura, gli elettroni vicini al bordo della regione di carica spaziale nella regione di tipo n tendono a spostarsi verso l’esterno della struttura, lasciando quindi scoperti ulteriori ioni donori fissi. Anche le lacune vicine al bordo della regione di svuotamento nella zona drogata di tipo p tendono ad allontanarsi dalla giunzione, per cui altri ioni fissi accettori restano scoperti. L’effetto risultante è un allargamento della regione di carica spaziale, come viene illustrato nella figura seguente.

Figura 3.7: Polarizzazione inversa: allargamento della regione di carica spaziale

La corrente nella struttura è molto debole, in quanto le cariche libere disponibili per la conduzione sono solo i portatori minoritari nelle rispettive regioni, in concentrazione estremamente limitata. Tali portatori generano quindi una piccolissima corrente inversa I_S, che scorre dal catodo verso l’anodo (vedi figura precedente) e risulta quasi indipendente dalla tensione inversa applicata.

I valori tipici di I_S dipendono molto dall’area e dai livelli di drogaggio del diodo e possono andare da 10^-10 a 10^-16 [A]. Poiché la concentrazione di portatori minoritari aumenta con la temperatura, la corrente I_S, detta anche corrente di saturazione inversa, aumenta con la temperatura.

Il fenomeno del breakdown

Se si aumenta la tensione inversa applicata al diodo, in corrispondenza di un certo valore si verifica il fenomeno del breakdown del diodo, che consiste in un aumento notevolissimo della corrente inversa che scorre nel diodo rispetto al valore I_S della corrente di saturazione inversa, come illustrato nella figura seguente. Tale valore di tensione V_Z viene detto appunto tensione di breakdown del diodo.

Figura 3.8: Breakdown di una giunzione pn polarizzata in inversa

La figura precedente in realtà non rispetta fedelmente gli ordini di grandezza delle correnti in gioco: in una scala realistica la corrente di saturazione inversa I_S non è visibile, in quanto praticamente sovrapposta all’asse delle tensioni. Si noti che, nella regione di breakdown, il diodo si comporta in pratica come un generatore di tensione, in quanto tende a mantenere una tensione inversa costante V_Z ai suoi capi per qualunque valore di corrente inversa.

Vi sono due effetti fisici differenti che innescano il fenomeno del breakdown in un diodo. Il primo effetto è dovuto a