Forta si Gratie

Jonctiunea p-n

Daca o piesa semiconductoare rezulta din alaturarea, prin procedee speciale de fabricatie, a doua regiuni semiconductoare distincte, una de tip p si alta de tip n, astfel incat trecerea de la o zona la alta sa se faca pe o distanta foarte mica (de regula sub 0,00005 mm), se obtine o jonctiune p - n.

Procesele fizice care au loc in jonctiunea p - n prezinta o importanta deosebita in functionarea celor mai multe dispozitive electronice din tehnicile de calcul actuale. In cel mai simplu caz, jonctiunea p - n poate fi utilizata la realizarea diodelor semiconductoare. Cea mai importanta aplicatie a lor o constituie insa tranzistorul (bipolar sau cu efect de camp) - inventie pentru a fost acordat premiul Nobel. De ce? Pentru ca aceasta piesa electronica sta la baza functionarii tuturor circuitelor electronice din toate dispozitivele de calcul pe care le cunoastem azi.

Sa vedem despre ce este vorba pas cu pas..

LA FABRICAREA JONCTIUNII P-N, in momentul in care, in procesul de fabricatie, cele doua materiale semiconductoare - de tip n si de tip p - sunt alipite, se intampla un fenomen foarte important: golurile din p tind sa se combine cu electronii din n in zona de contact. Ce anume determina aceasta tendinta de combinare? Fenomenul de difuzie, specific materialelor semiconductoare, constand in tendinta unei regiuni de tip n sa isi difuzeze electronii printre golurile unei regiuni de tip p in vederea obtinerii unei distributii uniforme a concentratiei electronilor si golurilor in intreg materialul. Ce fenomene antreneaza odata cu ea aceasta difuzie soldata cu recombinare la nivelul zonei de contact al regiunilor p si n din jonctiunea p-n?

O parte din electronii liberi din regiunea n ajung in regiunea p si completeaza golurile existente in structura neutra de atomi din p Ge+B- (practic se combina cu golurile de Germaniu), fapt care transforma structura neutra p din imediata vecinatate a zonei de contact p-n intr-o structura ionizata negativ (prin prezenta exclusiva a ionului B-, sarcina ionului Ge+ fiind neutralizata de primirea electronului e-, practic redandu-i-se acestuia echilibrul electrostatic prin echivalarea numarului de electroni din invelis cu numarul de protoni din nucleu).

In acelasi timp, electronii liberi care au plecat din n si au ajuns in regiunea p, au lasat in regiunea n din imediata vecinatate a zonei de contact (zona de alipire p-n) atomi de Arseniu descompletati ca sarcina electrica prin lipsa unui electron, asadar atomul de Arseniu a devenit ion pozitiv (As+) prin faptul ca a acumulat un gol (numarul de electroni din invelis nu mai este egal cu numarul de protoni din nucleu ci a scazut cu o unitate, polarizand pozitiv atomul).

Se poate spune ca electronii au migrat din zona n in zona p DETERMINAND migrarea a tot atatea goluri din zona p in zona n.

Ca urmare, dupa procesul fabricatiei, interiorul jonctiunii p-n arata in felul urmator:

Deoarece STAREA DE NEUTRALITATE INITIALA era o structura instabila care a condus la STAREA DE IONIZARE ULTERIOARA (ca structura stabila) aceasta stare de ionizare este corespunzatoare starii finale a sistemului format din alipirea celor 2 materiale semiconductoare.

Se pune intrebarea cum se poate ca sistemul sa fie in echilibru cand deja s-a format un camp electric intern care nu este echilibrat de un camp electric extern? Aici intra in joc forta de difuzie a electronilor din n, respectiv a golurilor din p, contrabalansata de forta campului electric al barierei actionand impotriva deplasarii electronilor, respectiv a golurilor care tind sa difuzeze. Mai exact:

SA EXPLICITAM liniile de forta ale campului electric din bariera in raport cu electronul si cu golul..

In diagramele electrice, campul electric este reprezentat sub forma de forta actionand asupra purtatorilor de sarcina mobili ca fiind orientat dinspre o zona cu potential electric pozitiv (in acest caz ionii pozitivi) inspre o zona cu potential electric negativ (in acest caz ionii negativi), adica reprezentarea este pur si simplu convenita ca fiind de la + la - . Aceasta reprezentare se foloseste azi intrucat se aliniaza conventiei adoptate acum 100 de ani conform careia sarcinile electrice mobile sunt actionate de o forta de camp electric dinspre o zona cu polaritate pozitiva catre o zona cu polaritate negativa a unui sistem. Conventia nu reflecta insa si sensul real al fortei de camp electric (si implicit al curentului electric printr-un circuit).

De fapt ce nu este in regula cu aceasta conventie privitoare la orientarea liniilor de camp electric si la sensul de miscare al sarcinii electrice sub forma de curent electric prin circuit?

Atunci cand a fost adoptata conventia, se credea ca sarcina electrica mobila este o masa de particule elementare avand tendinta sa se miste de la un surplus (+) la un deficit (-) pentru a realiza conditia de echilibru. Nu s-a stiut ca aceasta sarcina electrica mobila este de fapt electronul din invelisul atomic, in consecinta nu s-a luat in considerare faptul ca aceasta sarcina mobila (electronii) nu prezinta neutralitate din punct de vedere electric, ci manifesta polaritate negativa confrom conventiei adoptate de Benjamin Franklin in secolul 18. Benjamin Franklin (o somitate in istoria SUA - diplomat, om de stiinta, inventator, filozof, profesor si om politic) a observat ca electronii din invelisul atomic au o energie potentiala inversata fata de a protonilor din nucleele atomice, fapt care face ca cele doua particule sa se atraga una pe alta sau sa cada una inspre cealalta ajungand la o stare de potentialitate nula in cazul in care alte forte nu actioneaza pentru a le tine la distanta. Deoarece in structra atomica protonii sunt ficsi iar electronii orbiteaza in jurul lor poate fi unul dintre rationamentele in virtutea carora Benjamin Franklin a convenit sa le atribuie protonilor polaritate pozitiva si electronilor polaritate negativa. Mai exact, un munte ridicandu-se deasupra unei ape este o strctura stabila, o apa agitandu-se la baza muntelui este o structura mobila. Daca nivelul luciului de apa de la baza muntelui il consideram nivelul nul, de referinta sau de potential 0, electronii vor fi inatodeauna sub acest nivel, iar muntele va fi intotdeauna deasupra nivelului. In virtutea acestor considerente, protonului - prin analogie cu muntele - i se poate atribui in mod sugestiv polaritate pozitiva, iar electronului - prin analogie cu apa de la baza muntelui - polaritate negativa. Prin urmare un surplus de sarcina mobila intr-un anumit punct din spatiu inseamna mai multi electroni cu potential electric negativ fata de protonii cu potential electric pozitiv, adica un potential electric rezultant de (-n) Volti, in timp ce un deficit de sarcina mobila intr-un punct din spatiu inseamna mai putini electroni cu potential electric negativ fata de protonii cu potential electric pozitiv, adica un potential electric rezultant de (+n) Volti. Cum sarcina electrica mobila, adica electronii, circula de la surplus de electroni la deficit de electroni, sensul real al curentului electric (si implicit al liniilor de camp electric) este dat de sensul circulatiei electronilor de la zona cu surplus (-n Volti) la zona cu deficit (+n Volti) prin orice piesa de circuit avand o diferenta de potential intre doua regiuni ale sale (adesea sub forma de tensiune electrica aplicata la bornele piesei).

In acord cu sensul real de reprezentare si nu cu cel conventional, un camp electric va avea orientarea data de miscarea unei sarcini electrice mobile sub influenta lui.

- In cazul in care sarcina electrica mobila este electronul (-), campul electric dat de bariera ionica in raport cu electronul va fi orientat dinspre regiunea cu potential negativ a barierei (ionii negativi) inspre regiunea pozitiva (ionii pozitivi), asadar el se va opune migrarii electronilor din zona n in bariera ionica.

- In cazul in care sarcina electrica mobila este golul (+), campul electric dat de bariera in raport cu golul va fi orientat dinspre regiunea pozitiva a barierei (ionii pozitivi) inspre regiunea negativa (ionii negativi), asadar el se va opune migrarii golurilor din zona p in bariera ionica.

Sistemul rezultat este in echilibru electric deoarece bariera ionica respinge electronii din dreapta (din zona n) nelasand-i sa inainteze spre stanga (in zona p), precum si golurile din stanga (din zona p), nelasandu-le sa inainteze spre dreapta (in zona n).

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