Caracteristica Statică a Diodei Semiconductoare

1. CONDUCTIA ELECTRICA ÎN SEMICONDUCTOARE

Semiconductoarele ocupa o pozitie intermediara, din punct de vedere al conductivitatii electrice, între materialele conductoare (metale) si materialele dielectrice (izolatoare). Daca la metale exista o singura categorie de purtatori de sarcina, electronii, la semiconductoare curentul electric de conductie este generat de doua categorii de purtatori de sarcina: electroni si goluri.

Dupa modul de generare a purtatorilor, semiconductoarele pot fi de conductie intrinseca si de conductie extrinseca. Un semiconductor de conductibilitate intrinseca este un material pur, din punct de vedere chimic. În constructia dispozitivelor semiconductoare cele mai utilizate materiale semiconductoare sunt siliciul (Si) si germaniul (Ge).

Figura 1. Structura benzilor energetice la un semiconductor

Daca semiconductorul nu primeste energie din exterior, toti electronii de valenta ramân în legaturi covalente si materialul se comporta ca un dielectric.

Când un electron de valenta primeste energie din exterior, mai mare decât înaltimea zonei interzise, el poate rupe legatura covalenta devenind electron liber. Legatura nesatisfacuta corespunde unei sarcini pozitive, numita gol. Atunci când un electron paraseste atomul, devenind electron liber, are loc generarea unei perechi electron gol. Într un semiconductor de conductibilitate intrinseca are loc un proces continuu de generare a perechilor electron gol. Simultan se produc si recombinari electron gol, rezultând atomi neutri. Rezulta pentru un semiconductor intrinsec ca conductibilitatea sa electrica este apropiata de cea a unui material izolator.

Daca semiconductorul este impurificat cu mici adaosuri, are loc modificarea conductivitatii. Daca este dopat cu impuritati pentavalente (stibiu, arsen etc.), atomii de impuritati cedeaza cu usurinta câte un electron, care devine electron liber. Chiar si în concentratii foarte mici, impuritatile produc o marire considerabila a numarului de purtatori negativi, care sunt în acest caz purtatori majoritari. Semiconductoarele cu purtatori majoritari negativi se numesc semiconductoare de tip n.

Când semiconductorul este dopat cu impuritati trivalente (indiu, aluminiu etc.), atomii impuritatilor capteaza câte un electron, provenind de la atomii vecini din semiconductor, conducând la aparitia de goluri. În acest semiconductor, golurile sunt purtatori majoritari, iar electronii sunt purtatori minoritari. Semiconductoarele cu purtatori majoritari pozitivi se numesc semiconductoare de tip p.

Notând cu n si p concentratiile electronilor liberi, respectiv a golurilor, se poate arata ca la echilibru termic exista relatia: np =ni2 , unde ni este concentratia purtatorilor (goluri sau electroni) la un semiconductor intrinsec.

2. JONCTIUNEA p-n

Portiunea dintr un semiconductor în care se realizeaza trecerea, pe o distanta foarte mica, de la o zona de conductie de tip n la o zona de conductie de tip p, se numeste jonctiune p-n.

Majoritatea dispozitivelor semiconductoare au cel putin o jonctiune p-n. În cazul cel mai simplu, jonctiunea p-n poate fi utilizata la realizarea diodelor semiconductoare.

În vecinatatea suprafetei de separatie a zonelor p si n exista o variatie puternica a concentratiei purtatorilor majoritari, ce determina difuzia purtatorilor majoritari dintr o zona în alta, din zona cu concentratie ridicata spre zona cu concentratie mica.

Ca urmare, sarcina ionilor imobili ai impuritatilor ramâne necompensata, determinând aparitia, în vecinatatea suprafetei de separatie, a unei sarcini spatiale fixate în reteaua cristalina.

Regiunea în care apare sarcina spatiala se numeste regiune de trecere. Celelalte doua zone, fara sarcina spatiala, se numesc regiuni neutre. Sarcina spatiala determina aparitia unui câmp electric intern al regiunii de trecere, care se opune difuziei purtatorilor majoritari.

Se constata aparitia unei bariere de potential în regiunea de trecere, care se opune difuziei purtatorilor majoritari. Exista totusi un curent de difuzie, produs de acei purtatori majoritari care au o energie suficient de mare pentru a învinge bariera de potential U0 din regiunea de trecere: id=ipM+inM.

Câmpul intern al jonctiunii antreneaza dintr o zona în alta purtatorii minoritari, formând un curent de conductie ic=ipm+inm.

În regimul de echilibru termic al unei jonctiuni nepolarizate, curentul de difuzie este egal si de sens contrar cu curentul de conductie ic , astfel încât curentul rezultat prin jonctiune este nul.