Nel precedente articolo “Corso di Elettronica per ragazzi - Puntata 23” abbiamo iniziato lo studio del diodo a semiconduttore spiegando la fisica della giunzione p-n, la struttura atomica del semiconduttore di silicio, l’importanza delle lacune nella conduttività del semiconduttore, infine, abbiamo spiegato il funzionamento della giunzione p-n a circuito aperto dal punto di vista del movimento delle correnti delle cariche elettriche delle lacune e degli elettroni. In questa nuova puntata, proseguiremo l’argomento sul diodo a semiconduttore analizzando il funzionamento della giunzione p-n a circuito chiuso in cui considereremo la giunzione p-n come elemento circuitale.
Introduzione
Per giunzione p-n a circuito chiuso s’intende considerare un circuito in cui fra i contatti metallici dei due tratti di semiconduttore di tipo p e di tipo n è collegata una batteria che rappresenta un campo elettrico esterno applicato alla giunzione p-n. Ora, per meglio comprendere questo nuovo argomento sulla giunzione p-n a circuito chiuso, faremo un breve riepilogo sulla giunzione p-n a circuito aperto che abbiamo trattato nella precedente puntata “Corso di Elettronica per ragazzi - Puntata 23”.
Abbiamo visto che se un semiconduttore viene drogato con impurità costituite da atomi trivalenti (accettori), si crea una zona di cariche positive (lacune) di tipo “p”, mentre drogando il semiconduttore con impurità di atomi pentavalenti (donatori), si crea una zona di cariche negative (elettroni) di tipo “n”. Unendo il semiconduttore di tipo p con il semiconduttore di tipo n si realizza una giunzione p-n, che è la struttura fisica del diodo a giunzione dove la zona p rappresenta l’anodo del diodo, mentre la zona n rappresenta il catodo. La Figura 1 illustra la giunzione p-n in cui sono mostrate le rispettive cariche elettriche: le lacune portatrici di carica positiva maggioritarie nella zona p, elettroni portatori di carica negativa maggioritari nella zona n. Sopra la giunzione è mostrato il simbolo del diodo.
Figura 1: Giunzione p-n
Come possiamo notare ancora nella Figura 1, oltre ai portatori di carica maggioritari sono presenti anche i portatori di carica minoritari generati da energia termica, elettroni nella zona p e lacune nella zona n, che, appunto, sono di numero inferiore ai portatori maggioritari.
Funzionamento della giunzione p-n a circuito aperto
Nel momento di contatto delle zone p e n, per la differente concentrazione di portatori maggioritari dovuta al drogaggio del semiconduttore, si avvia un processo di diffusione di una corrente di portatori maggioritari che attraversano la giunzione in direzioni opposte, una corrente di lacune dalla zona p alla zona n ed una corrente di elettroni dalla zona n alla zona p; le lacune oltrepassano la giunzione ed entrano nella zona n ricombinandosi con gli elettroni liberi, gli elettroni entrano nella zona p e si ricombinano con le lacune. Questo continuo processo provoca una rapida diminuzione delle cariche libere in prossimità della giunzione, ovvero si crea una regione svuotata da cariche mobili chiamata regione di svuotamento o regione di carica spaziale.
Nella zona p, in prossimità della giunzione, si addensano cariche fisse negative poiché gli atomi di impurità accettori, originariamente di carica neutra, acquisendo un elettrone diventano negativi (non neutralizzati) ossia diventano cariche fisse negative (ioni negativi); analogamente, ma con segno opposto, nella zona n si accumulano cariche fisse positive poiché gli atomi di impurità donatori, originariamente di carica neutra, perdendo un elettrone, che è andato ad occupare una lacuna, diventano positivi (non neutralizzati) ossia diventano cariche fisse positive (ioni positivi).
L’accumulo di queste cariche fisse in prossimità della giunzione crea un campo elettrico diretto da destra a sinistra, che si oppone al passaggio della corrente di diffusione, che diminuisce fino ad annullarsi quando l’intensità del campo elettrico diventa talmente forte da bloccare il passaggio di corrente. Il campo elettrico costituisce una reale barriera di potenziale. La Figura 2 mostra la giunzione p-n a circuito aperto dopo la formazione della regione di carica spaziale.
Figura 2: Giunzione p-n con la regione di carica spaziale
Terminato il processo di diffusione delle cariche elettriche maggioritarie, la giunzione p-n è in equilibrio elettrico, la corrente di diffusione è nulla ed i portatori minoritari che si generano per effetto termico si producono e si ricombinano continuamente in modo aleatorio senza formare una corrente. In questa situazione, le zone p e n sono neutre poiché gli atomi in esse contenuti sono allo stato di carica neutra e la regione di carica spaziale è alla sua massima densità di cariche fisse, positive lato zona n e negative lato zona p.
Funzionamento della giunzione p-n a circuito chiuso
Ora analizzeremo il comportamento della giunzione p-n a circuito chiuso, ossia il funzionamento della giunzione p-n a cui viene applicato un campo elettrico esterno, quindi collegheremo gli estremi della giunzione ad una batteria.
Polarizzazione diretta della giunzione p-n
Inizieremo l’analisi del funzionamento della giunzione p-n a circuito chiuso collegando la batteria in modo da polarizzare direttamente la giunzione. Quindi, collegheremo il polo positivo della batteria al contatto metallico dell’anodo della zona p e il polo negativo al contatto metallico del catodo della zona n, come mostrato in Figura 3.
Figura 3: Polarizzazione diretta della giunzione p-n
In Figura 3 sono indicate con il loro verso la corrente totale I che circola nel circuito, la corrente di diffusione ID e la corrente di deriva IR (detta anche di saturazione inversa) che attraversano la giunzione p-n in direzioni opposte. Sono anche indicati i versi del campo elettrico E e della tensione V della batteria. La condizione di equilibrio della giunzione p-n a circuito aperto mostrata in Figura 2, che si è verificata quando è cessato il flusso della corrente di diffusione a causa della barriera di potenziale creata dal campo elettrico E, viene alterata dalla tensione V della batteria che, come spiegheremo, tende a far diminuire l’effetto di sbarramento della barriera di potenziale nei confronti della corrente di diffusione, ovvero dei portatori maggioritari. Infatti, le lacune, respinte dal potenziale positivo della batteria, riescono a superare la regione di carica spaziale ed entrano nella zona n incrementando il numero di lacune che nella zona n sono portatori minoritari. Allo stesso modo, gli elettroni respinti dal polo negativo della batteria, possono attraversare la giunzione ed entrare nella zona p dove diventano portatori minoritari.
In sostanza, la tensione V della batteria, di verso contrario a quello del campo elettrico E, produce l’effetto di ridurre la tensione della barriera di potenziale ad un valore di tensione totale pari a:
Vtot=E-V
che risulta applicata agli estremi della regione di carica spaziale. Per esempio, supponendo che la tensione del campo elettrico sia 0,7 V, la tensione V della batteria deve essere di valore tale da superare il potenziale della barriera, ad esempio pari alla tensione E+0,5 V, quindi V=1,2 V affinché si possa considerare annullata la barriera di potenziale.
Il risultato di ciò è che si riduce notevolmente la larghezza della regione di carica spaziale, in prossimità della giunzione ci saranno meno cariche fisse negative nella zona p e meno cariche fisse positive nella zona n. Di conseguenza, aumenta la corrente di diffusione ID, ossia aumenta il passaggio della corrente dei portatori maggioritari, ovvero il numero di lacune che si diffondono nella zona n e il numero di elettroni che si diffondono nella zona p. In questa situazione, superata la barriera di potenziale, la giunzione p-n si comporta come un conduttore.
Nota: la corrente di diffusione ID è il flusso delle lacune, portatori maggioritari che si spostano dalla zona p alla zona n attraverso la giunzione. Il verso della corrente ID indicato nella Figura 3 è convenzionale, intendendo che la corrente scorre dal potenziale positivo al potenziale negativo. In realtà, sappiamo che la corrente elettrica è formata da elettroni che scorrono dal potenziale negativo al potenziale positivo. Nel nostro studio, gli elettroni, che nella zona n della giunzione p-n sono portatori maggioritari, scorrono dalla zona n (negativa) alla zona p (positiva).
Oltre alla corrente di diffusione che scorre dalla zona p alla zona n, è presente anche una piccola corrente di portatori minoritari, la corrente di deriva, che è formata da lacune che si spostano dalla zona n alla zona p e da elettroni dalla zona p alla zona n. La generazione di coppie lacuna-elettrone di portatori minoritari che costituiscono la corrente di deriva è causata esclusivamente da energia termica. Questi portatori minoritari derivano verso il bordo della giunzione e raggiungono la zona di destinazione non influenzati dal campo elettrico. Quindi, l’intensità della corrente di deriva dipende fortemente dall’energia termica, ossia dal numero di coppie lacuna-elettrone generate, maggiore è la temperatura a cui è sottoposta la giunzione p-n, maggiore è il numero di portatori minoritari. La corrente di deriva IR ha verso opposto della corrente di diffusione ID. Quindi, la corrente totale che scorre nel circuito di Figura 3 è la differenza fra la corrente di diffusione ID e la corrente di deriva IR:
I=ID-IR≈ID
Nella polarizzazione diretta, la corrente ID è di diversi ordini di grandezza maggiore della corrente di deriva, quindi la corrente totale I si può approssimare senza rilevare errore a ID.
Polarizzazione inversa della giunzione p-n
Polarizzare inversamente la giunzione p-n significa applicare un campo elettrico esterno di segno opposto al campo elettrico applicato nel caso della polarizzazione diretta. Quindi, colleghiamo il polo negativo della batteria al contatto metallico della zona p (anodo) ed il polo positivo al contatto metallico della zona n (catodo), come indicato nel circuito mostrato in Figura 4.
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