Giunzione p-n

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Schema di una giunzione p-n, insieme all'andamento della carica elettrica, del campo elettrico, e del potenziale elettrico lungo la giunzione.

Con il termine giunzione p-n si indica l'interfaccia che separa le parti di un semiconduttore sottoposte a drogaggio di tipo differente.

La giunzione p-n è composta da due zone: una con un eccesso di elettroni (strato n) e una ad eccedenza di lacune (strato p). Le eccedenze di elettroni e lacune si ottengono mediante drogaggio, con varie tecniche. Il termine giunzione fa riferimento alla regione in cui si incontrano i due tipi di drogaggio (P e N). La regione di confine tra i blocchi di tipo P e di tipo N, detta zona/regione di carica spaziale (o di svuotamento), è praticamente priva di portatori liberi; tra i due lati della zona di carica spaziale vi è una differenza di potenziale costante, chiamata tensione di built-in. La larghezza della zona di carica spaziale dipende dai drogaggi e da ciascun lato è inversamente proporzionale al drogaggio del semiconduttore.

Dato che la carica elettrica degli ioni negativi deve compensare perfettamente quella degli ioni positivi si avrà: N_A  \cdot W_p=N_D \cdot W_n dove N_A e N_D sono le concentrazioni degli atomi accettori e donatori, W_p e W_n l'estensione della regione di svuotamento rispettivamente della zona p ed n.

La giunzione p-n è alla base di dispositivi a semiconduttore quali il diodo a giunzione, il transistor, il LED e la cella solare.

Descrizione[modifica | modifica wikitesto]

La giunzione p-n possiede alcune interessanti proprietà che vengono sfruttate nell'elettronica moderna. In particolare, si forma un sottile strato neutro chiamato regione di svuotamento (depletion layer) laddove un drogaggio di tipo P si giustappone ad un drogaggio di tipo N. I semiconduttori drogati (sia di tipo N che di tipo P) sono conduttori tanto migliori quanto più elevato è il drogaggio mentre la regione di svuotamento ha le proprietà di un isolante. Le giunzioni p-n sono comunemente usate come diodi: dispositivi elettronici che permettono un flusso di corrente in una direzione ma non in quella opposta. Questo risultato può essere ottenuto incrementando o riducendo l'estensione dello strato non conduttivo (la zona svuotata) grazie agli effetti della polarizzazione inversa e della polarizzazione diretta, dove il termine polarizzazione indica l'applicazione di una tensione elettrica alla giunzione p-n. La tensione esterna infatti ne influenza la dimensione, richiamando un maggiore o minore numero di portatori; a seconda della densità di portatori disponibili, e quindi del tipo di semiconduttore scelto e del tipo di drogaggio con il quale è stato prodotto, sarà possibile variare con un ulteriore grado di libertà l'estensione della regione di svuotamento.

Polarizzazione diretta e inversa[modifica | modifica wikitesto]

La giunzione p-n può essere utilizzata come un diodo grazie alle sue proprietà di conduzione in regime di polarizzazione diretta e polarizzazione inversa. Un diodo a giunzione p-n permette alle cariche elettriche di scorrere in una direzione, ma non in quella opposta. Quando la giunzione p-n è polarizzata direttamente, la differenza di potenziale sulla giunzione diminuisce e questo fa sì che possa scorrere una corrente apprezzabile verso il catodo. Quando la giunzione p-n è polarizzata inversamente, invece, la barriera di potenziale alla giunzione (e quindi anche la resistenza) aumenta e la corrente inversa che può scorrere verso l'anodo è bassissima.

Polarizzazione diretta[modifica | modifica wikitesto]

Si ha polarizzazione diretta quando la parte di tipo P è connessa al terminale positivo del generatore di tensione, mentre la parte di tipo N è connessa al terminale negativo.

In questa configurazione, le lacune nella regione di tipo P e gli elettroni nella regione di tipo N sono spinti verso la giunzione. Questo riduce l'ampiezza della zona svuotata e la tensione positiva applicata al dispositivo si concentra quasi completamente ai capi della zona di carica spaziale abbassando la barriera di potenziale. In tale situazione si crea un apprezzabile sbilanciamento tra i flussi dei maggioritari e minoritari che attraversano in verso opposto la giunzione; la risultante è un flusso di cariche, e quindi una corrente, che varia esponenzialmente con la tensione applicata.

Polarizzazione inversa[modifica | modifica wikitesto]

La polarizzazione inversa si ottiene collegando la regione di tipo P al terminale negativo dell'alimentazione e la regione di tipo N al terminale positivo.

Poiché la regione di tipo P è connessa al terminale negativo dell'alimentazione, le lacune nella regione di tipo P vengono spinte lontano dalla giunzione, facendo crescere l'ampiezza della zona svuotata. Lo stesso succede nella zona di tipo N, dove gli elettroni vengono spinti lontano dalla giunzione a causa dell'azione del terminale positivo dell'alimentazione. Questo aumenta l'ampiezza della zona svuotata e la tensione negativa applicata al dispositivo si concentra quasi completamente ai capi della zona di carica spaziale alzando la barriera di potenziale. Anche qui si crea quindi uno sbilanciamento tra i flussi dei maggioritari e minoritari che attraversano in verso opposto la giunzione e anche qui la risultante è un flusso di cariche, e quindi una corrente, che varia esponenzialmente con la tensione applicata. Tuttavia il risultato è molto diverso perché l'esponenziale è negativo e quindi la corrente inversa risultante è molto piccola.

Caratteristica ideale della giunzione pn[modifica | modifica wikitesto]

Dal comportamento in polarizzazione diretta e inversa deriva la caratteristica ideale della giunzione pn (diodo), cioè la relazione i-v:

I= I_S ( e^{qv/kT} -1)

Altre giunzioni[modifica | modifica wikitesto]

Anche il contatto tra i terminali in metallo e il materiale semiconduttore crea giunzioni particolari chiamate diodi Schottky. In una situazione ideale semplificata un diodo a semiconduttore non funzionerebbe perché sarebbe composto da vari diodi connessi in serie. In pratica, impurità di superficie presenti sulla parte di semiconduttore che tocca i terminali di metallo riducono molto la larghezza di quelle regioni svuotate a un punto tale che le giunzioni metallo/semiconduttore non sono rettificanti (funzionano come diodi sempre accesi indipendentemente dalla tensione applicata).

Di altro genere sono le eterogiunzioni, che si ottengono dal contatto tra due semiconduttori di differente natura. Un esempio sono le eterogiunzioni tra silicio e germanio, oppure quelle tra semiconduttori polimerici.

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