Forta si Gratie

Dioda (jonctiunea p-n) in polarizare inversa

Campurile electrice si voltajele din interiorul jonctiunii p-n in diferitele etape ale polarizarii inverse pana la o stare echilibru, sunt urmatoarele:

Intr-o prima faza, prin jonctiunea pn conectata in polarizare inversa la o sursa de tensiune circula un curent electric incipient, de mica intensitate. Acesta pleaca de pe borna (B-) si trece prin jonctiune catre borna (B+). CARE SUNT FENOMENELE IMPLICATE in aceasta faza?

Am vazut ca prin bariera, un curent electric poate sa treaca fie doar prin difuzie (sub forma de electroni de valenta), fie doar prin drift (sub forma de electroni de conductie).

De aceea, intr-o prima faza, de pe borna B- vor intra electroni in p iar din n vor incepe sa iasa electroni pe borna B+. Electronii care vor intra in regiunea p de pe borna B- vor avansa prin dioda partial in valenta (din gol in gol), partial in conductie. Acelasi lucru se va intampla in regiunea n cu electronii care vor tinde sa iasa din dioda pe B+. Golurile pe care ei le vor lasa in urma lor vor fi umplute de alti electroni venind "din spate", care se vor deplasa prin regiunea n dinspre bariera catre borna (atat in valenta cat si in conductie), golurile din n parand ca se deplaseaza in sens opus miscarii electronilor, adica dinspre borna catre bariera.

In momentul cand electronii din zona p ajung la bariera, nu vor putea sa treaca prin bariera decat electronii aflati in conductie. Acestia vor trece, se vor combina cu golurile existente de partea cealalta a barierei si isi vor continua drumul prin n catre B+, fie in valenta (prin intermediul golurilor care continua sa soseasca, sarind din unul in altul), fie in conductie.

In schimb, electronii din p ajunsi la bariera care nu sunt in conductie ci in valenta, pentru a trece prin bariera ar trebui sa difuzeze din p in n (este singura solutie de trecere pentru un electron de valenta), ceea ce este imposibil deoarece concentratia de electroni in n este foarte mare comparativ cu cea din p, si cum difuzia nu poate avea loc decat de la mai mult catre mai putin si nu invers, electronii de valenta nu au unde sa difuzeze. Asadar ei vor ramane la bariera - combinati cu golurile pe care le-au ocupat - furnizand ioni negativi suplimentari, deci marind potentialul negativ al barierei. Unii dintre ei vor mai putea sa intre in conductie si sa treaca de bariera dar vor fi supliniti de alti electroni (de valenta sau de conductie care decad in valenta) venind "din spate" si continuand sa ingroase stratul de ioni negativi din regiunea p a barierei.

La randul lor, golurile necompletate din zona n a barierei care nu mai au unde sa migreze sau cum sa dispara (deoarece electronii din p cu care se puteau recombina tind sa ramana de partea cealalta a barierei), asigura atomilor din care fac parte calitatea stabila de ioni pozitivi si, prin urmare maresc potentialul pozitiv al barierei din regiunea n. Fenomenul curentului electric prin dioda continua astfel intr-o cantitate din ce in ce mai mica, pana cand bariera s-a ionizat atat de mult incat potentialul barierei l-a echivalat pe cel de la bornele sursei. Din acel moment curentul electric inceteaza sa mai circule, deoarece pe regiunile p si n nu se mai inregistreaza diferenta de potential si implicit nici camp electric care sa actioneze electronii / golurile.

Dupa cum putem vedea, in polarizare inversa bariera ionica s-a ajustat conform noului E1 la o valoare corespunzatoare - ca diferenta de potential - valorii diferentei de potential de la bornele diodei (noul Vb = Vborne = 3V). Prin urmare electronii de pe borna negativa nu mai intra in jonctiune in zona p deoarece nu mai sunt actionati de nici un camp electric. La fel, electronii din zona n nu mai ies din jonctiune pe borna pozitiva deoarece nu mai exista camp electric care sa ii antreneze.

Daca insa un electron ar putea ajunge IN STARE DE CONDUCTIE direct de pe borna (B-) la bariera, atunci el ar traversa bariera datorita diferentei de potential existente in bariera, prin bariera fiind facilitat un curent de drift. Daca am reusi cumva sa aducem electroni de pe borna (B-) direct in bariera, tranzitandu-i prin regiunea n fara ca acestia sa cada din conductie in valenta inainte de a trece pragul barierei, am fi siguri ca bariera i-ar prelua pe toti acesti electroni si i-ar furniza regiunii n, transformandu-se intr-o sursa de curent de tip baterie, fapt care ar face ca electronii sa fie pompati prin regiunea n de catre bariera, iesind din dioda pe borna B+, regiunea n comportandu-se in acest caz mai mult ca un conductor metalic clasic decat ca un semiconductor.

Materializand acest fenomen care creeaza posibilitatea unei circulatii de electroni in conditii controlate printr-o jonctiune polarizata invers, s-a nascut TRANZISTORUL (jonctiunea npn conectata nu la doua borne de potential electric extern ci la trei, prima parte, np, aflandu-se in polarizare diecta, a doua parte, pn, aflandu-se in polarizare inversa).

Vom discuta mai mult despre acest fenomen la prezentarea tranzistorului.

Ar mai fi un singur lucru de specificat: in jonctiune inversa, DUPA ATINGEREA ECHILIBRULUI, dioda permite unui curent de foarte mica anvergura sa treaca prin ea, curent care, fiind foarte slab, nu comporta un interes semnificativ in marea majoritate a circuitelor electrice si prin urmare poate fi ignorat. TOTUSI se pune intrebarea: datorita carui fenomen este posibila aparitia unui curent prin dioda blocata la polarizare inversa?

Sa o luam prin eliminare...

1. Campul electric este zero in regiunile p si n din interiorul jonctiunii, deci nu va contribui la vreo curgere a curentului electric prin jonctiune.

2. Nici difuzia nu poate avea loc fiindca electronii nu pot migra din zona n in zona p datorita barierei ionice, prin urmare nici golurile nu pot migra din zona p in zona n.

3. Mai exista fenomenul generarii spontane de perechi electron-gol datorita caldurii mai mult sau mai putin intense la care este expusa dioda.

3.1 Daca acest fenomen se intampla in zona p, avand camp electric in echilibru, avand si uniformitate de distributie a golurilor (deci nu exista nici fenomen de conductie si nici fenomen de difuzie), electronul de conductie nu se va deplasa in nici o directie si nici golul, ele recombinandu-se in foarte scurt timp, perechea electron-gol redevenind electron de valenta.

3.2 Acelasi lucru se intampla si in zona n. Avem echilibru de camp, avem uniformitate de distributie a electronilor in structura, asadar electronul de conductie si golul generat nu se deplaseaza ci se recombina aproape instantaneu, anulandu-se reciproc, perechea redevenind un electron de valenta.

ATUNCI DE UNDE APARE TOTUSI CURENT ELECTRIC (chiar si foarte mic) prin dioda conectata la sursa de tensiune in polarizare inversa?

3.3 A mai ramas un singur loc unde ne putem uita: in interiorul barierei ionice. Datorita caldurii, si acolo se genereaza spontan perechi electron-gol. Ei bine, cand fenomenul se intampla aici, electronul de conductie datorita campului din interiorul barierei ionice migreaza prin bariera in directia zonei n, in timp ce golul pe care il lasa in urma lui  migreaza in directia zonei p. Bariera ce tinde sa faca in acest caz? Sa injecteze electroni in zona n (o foarte mica diferenta de potential apare intre extremitatea dreapta a barierei si borna B+), respectiv sa injecteze goluri in zona p (o foarte mica diferenta de potential apare intre borna B- si extremitatea stanga a barierei), bariera transformandu-se intr-o sursa de alimentare tip baterie a diodei: un electron corespunzator celui furnizat de bariera in zona n iese din dioda pe B+, in timp ce un gol corespunzator celui furnizat de bariera in zona p iese din dioda pe B- (asadar de pe B- intra un electron in sistem, corespunzator electronului intrat din p in bariera).

Amploarea fenomenului este extrem de redusa, drept urmare semiconductorul ajunge sa fie strabatut de un curent electric foarte slab, masurabil insa la bornele piesei (ale diodei in acest caz). El a fost denumit curent electric de saturatie, avand o intesitate de ordinul nanoamperilor, adica 10^(-9) Amperi sau 0,000000001 A.

Concluzionam ca dioda semiconductoare in polarizare inversa blocheaza curentul electric sa treaca prin ea. Dioda practic deschide circuitul la care se conecteaza in acest fel (il dezactiveaza).

Comentarii (0) Nume E-mail (nu se publica online) Comentariu