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Giunzione PN

La giunzione PN è una interfaccia composto da due tipi di semiconduttori drogati in modo diverso.

Nella zona P ci sono degli elementi droganti di tipo trivalente che hanno quindi una lacuna in più (carica positiva in più) rispetto al semiconduttore di cui è formata la giunzione, mentre nella zona N  ci sono elementi droganti di tipo pentavalenti e quindi con un elettrone in più ( carica negativa in più). 

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).

Se mettiamo quindi vicini i due strati, quelli di tipo P e quelle di tipo N, tra i due strati, cioè nella giunzione si crea una zona di svuotamento in quanto le lacune della zona P tendono ad avvicinarsi allo strato N e gli elettroni della zona N tendono a spostarsi verso la zona P.

La zona di svuotamento quindi risulta essere priva di cariche in quando quelle vicine si sono neutralizzate a vicenda.

 

Nella giunzione si crea quindi un campo elettrico che va da destra verso sinistra (verso dal più al meno) e una differenza di potenziale delta V con verso opposto al campo elettrico.

La larghezza della zona di svuotamento dipende naturalmente dal drogaggio del componente.

La zona P viene anche detta zona accettore in quanto accetta elettroni nella sua zona, mentre la zona N viene anche chiamata zona donatore in quanto dona elettroni alla zona P.

 

Drogaggio con Atomi di tipo P

Drogaggio con Atomi di tipo N

APPLICAZIONI:

La giunzione PN è molto utilizzata in elettronica in quanto con essa vengono realizzati i diodi, i diodi led, i transistor e le celle solari.

I diodi

Supponiamo adesso di collegare elettronicamente una giunzione PN con una batteria. Sel colleghiamo la zona P della giunzione con il polo positivo della batteria e la zona N con il polo negativo della batteria, si dice che abbiamo collegato la giunzione PN in polarizzazione diretta.

In questo caso la giunzione PN sarà attraversata da una corrente in quanto le cariche negative della zona N vengono attratte dal polo positivo della batteria e dopo aver super la differenza di potenziale della giunzione raggiungono il polo positivo della batteria. Contemporaneamente le lacune vengono neutralizzate dagli elettroni. Dato che il verso convenzionale della corrente è quello delle cariche positive di remo che la corrente dentro la giunzione PN ha verso dal polo positivo a quello negativo, mentre nella realtà sappiamo che gli elettroni si muovonocon verso opposto.

Se invece colleghiamo la giunzione PN in polarizzazione inversa, basta collegare la zona P con il polo negativo della batteria e la zona N con il polo positivo della batteria. In questo caso all'interno della guinzione non circolerà corrente in quando la zona di svuotamento si allargherà, non permettendo a nessuna carica di attraversarla.

Il diodo è un componente elettronico passivo, non lineare a due terminali (bipolo) la cui funzione è quella di essere attraversata dalla corrente solo in un verso, cioè in polarizzazione diretta ( caso ON ), e di non farsi attraversare dalla corrente, in polarizzazione inversa ( caso OFF ).

Di diodi ce ne sono di vari tipi a secondo della loro composizione interna:

-diodo al germanio

-diodo al silicio

-diodo Zener

-diodo led (giallo, rosso, verde, blu, bianco)

-diodo schottky

-diodo varicap o varactor

 

 

Nel diodo la zona P della giunzione PN viene chiamata anodo e la zona N viene chiamata catodo.

Il diodo per poter essere attraversato dalla corrente deve quind essere polarizzato direttamente e deve essere appplicata ad esso una tensione maggiore della sua tensione di soglia.

E' quindi un componente non lineare che ha una caratteristica corrente tensione assimilabile nel caso ideale ad una funzione con due semirette, come nel seguente grafico:

Curva caratteristica ideale

Curva caratteristica reale

In questo grafico si vede che la corrente I nel diodo è uguale a zero per tensioni V<Vs ed I=infinito per V > Vs

Diodo reale

Nel caso di un diodo reale la tensione di soglia varia a secondo del materiale di cui è composto.

Il diodo al germanio ha una tensione Vs=0,2 V

Il diodo al silicio ha una tensione Vs= 0,67 V.

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Diodo LED

Il diodo LED ha questo nome perchè è un diodo che emette luce di diversi colori a seconda della composizione fisica dei suoi elementi droganti ( LED=Light Emitting Diode ).

Le tensioni di soglia dei diodi led cambino a seconda del colore del diodo stesso come nella seguente tabella.

 

Curve caratteristiche dirette dei diodi led

Caratteristiche principali dei diodi led:

- possono lampeggiare a frequenze molto alte, superiori al Mhz;

- emettono luce fredda, a differenza delle classiche lampadine a filamento;

- sono particolarmente adatti alla trasmissione di segnali tramite modulazione dell'intensità luminosa;

- grazie ai bassi consumi di corrente, è molto utilizzato nell'illuminazione a vantaggio del risparmio energetico;

- nella fabbricazione si possono raggiungere molte varianti di colore, ed utilizzando il Nitruro di Gallio, si può raggiungere una colorazione blu chiara.

Esercizio

Collegare opportunamente un led blu per visualizzare lo stato ON-OFF di una apparecchiatura alimentata con una tensione di 9 Volt. Dimensionare la resistenza di limitazione supponendo I=12mA e una tensione di soglia Vs= 3,5 Volt.

Svolgimento

La resistenza di limitazione si può calcolare con la seguente formula

R= (Val - Vs)/I = (9-3,5)/12×10^-3= 458 Ohm

si sceglie quindi il valore commerciale più vicino a quello teorico cioè R=470 Ohm

che darà una corrente leggermente più piccola di quella prevista.

Raddrizzatore ad una semionda con diodo led

Circuito con diodi led

In questo circuito si ha una tensione di alimentazione uguale a 12 Volt.

Supponendo che i tre led abbiano la stessa tensione Vd=1,635 Volt, e applicando Kirchhoff alla maglia si avrà:

Val = Vr-Vd    (legge di Kirchhoff)

ma

Vr = R*Ir     per la legge di Ohm

sostituendo si ha

Val= Ir*R- Vd

Utilizzando la formula inversa calcoliamo la corrente Ir.

Sulla resistenza circolerà una corrente Ir data da

Ir =  (Val -Vd) / R        

Ir = (12- 1,635)/10*10^3= 1,036 mA

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