Raport stiintific privind implementarea proiectului PN-II-ID-PCE ...
2Jonctiunea PN
Transcript of 2Jonctiunea PN
-
7/25/2019 2Jonctiunea PN
1/10
CAPITOLUL 2. JONCIUNEA PN.
8
CAPITOLUL 2. JONCIUNEA PN.
2.1 REALIZAREA JONCIUNII PN
Dac dopm o jumtate dintr-un cristal de siliciu cu impuriti trivalente, iar cealalt
jumtate cu impuriti pentavalente se obin dou regiuni vecine cu tip diferit de
impurificare, o regiune de tip pi o regiune de tip n.
Jonciunea PN reprezint zona de contact dintre dou regiuni vecine, una de tip Pi
una de tip N, create ntr-un monocristal pur (fig.2.1 a).
a. Structur PN iniial b. Formarea regiunii de barier
Figura 2.1 Structura semiconductorului n care s-a creat o jonciune PN
La formarea jonciunii PN electronii din regiunea N tind s ocupe golurile din
regiunea P i difuzeaz prin jonciune. Deoarece prin plecarea electronilor rmneun surplus de sarcini electrice pozitive n vecintatea jonciunii spre regiunea N se
creeaz un spaiu ncrcat cu sarcini pozitive(ioni pentavaleni)(fig.2.1 b). n acelai
timp golurile din regiunea P se combin cu electronii care au strpuns jonciunea.
Prin sosirea electronilor apare un surplus de sarcini electrice negative iar n
vecintatea jonciunii spre regiunea P se creeaz un spaiu ncrcat cu sarcini
negative (ioni trivaleni) (fig.2.1 b).
Cele dou zone cu sarcini pozitive i negative formeaz regiunea de barier.Aceste procese se desfoar pn cnd sarcina negativ total din regiunea de
barier mpiedic ali electroni s mai difuzeze prin aceast regiune (apare
fenomenul respingere a sarcinilor electrice de acelai potenial).
n regiunea de barier ntre sarcinile pozitive i negative apare un cmp de fore
numit cmp electric intern. Diferena de potenial al cmpului electric intern se
numetepotenial de barier(Vp- tensiune de prag) i se exprim n voli.
Cmpul electric intern din regiunea de barier se comport ca o barier n caleaelectronilor care tind s traverseze regiunea.
- goluri- electroni
regiunea P regiunea N
jonciunea PN
-
+
regiune de barier
P N+
---+
++
Auxiliarul curricular - Electronic Analogic - este publicat online la adresa http://eprofu.ro/electronica/
-
7/25/2019 2Jonctiunea PN
2/10
AUXILIAR ELECTRONIC ANALOGIC COMPONENTE ELECTRONICE
9
Valoarea tensiunii de prag depinde de materialul din care este construit cristalul de
semiconductor:
n cazul siliciului tensiunea de prag este de aproximativ 0,61,2 V;
n cazul germaniului tensiunea de prag este de aproximativ 0,20,6 V.
Pentru ca electronii s poat strbate regiunea de barier, trebuie s li se furnizezeenergie din exterior, care se face prin polarizarea jonciunii PN.
2.2 POLARIZAREA DIRECT A JONCIUNII PN
Prin polar izarese nelege aplicarea unei tensiunii continue la capetele celor dou
regiuni. Lapolarizarea directborna plus (+)a sursei de alimentare se conecteaz
la regiunea Pa jonciunii PN iar borna minus (-)a sursei se conecteaz la regiunea
Na jonciunii PN. Jonciunea se conecteaz n serie cu un rezistor R care limiteaz
valoarea curentului prin circuit pentru a nu deteriora jonciunea.
Figura 2.2 Polarizarea direct a jonciunii PN
Att timp ct valoarea tensiunii sursei de alimentare Eeste mai mic dect tensiunea
cmpului electric intern Eintprin jonciune nu circul curent (jonciunea este blocat).
Cnd tensiunea de polarizare depete valoarea tensiunii de prag a jonciunii se
creeaz un cmp electric extern Eextcare strbate jonciunea de la P la Ni care
este contrar cmpului electric intern al jonciunii.Astfel jonciunea PN este parcurs
de un curent direct ID dinspre regiunea P spre regiunea N, curent care crete
exponenial cu tensiunea aplicat jonciunii.n figura 2.4 sunt prezentate cteva
situaii practice de polarizare a jonciunii PN unde se observ cum crete valoarea
curentului prin jonciune la creterea valorii tensiunii de alimentare a jonciunii.
NEint
Eext
E
ID
P
R
Auxiliarul curricular - Electronic Analogic - este publicat online la adresa http://eprofu.ro/electronica/
-
7/25/2019 2Jonctiunea PN
3/10
CAPITOLUL 2. JONCIUNEA PN.
10
La polarizarea direct a jonciunii PN fenomenele se desfoar astfel(fig.2.3):
Minusu l surse ide alimentare fiind conectat la regiunea negativ Nresp inge
electroni i(care sunt sarcini negative i purttori majoritari in regiunea N) din
regiunea Nspre regiunea P (se formeaz curentu l de electroni). Tot borna
negativ a sursei de alimentare injecteaz un flux continuu de electroni ctreregiunea negativ Nprin circuitul exterior;
Sursa de alimentare ofer electronilor din regiunea N suficient energie ca
acetia s strbat regiunea de barier i s ajung n regiunea P. Cnd
electronii liberi ajung n aceast regiune nu mai au suficient energie s se
combine cu golurile din regiunea Pi sunt atrai de borna pozitiv a sursei de
alimentare. Pe msur ce electronii prsesc regiunea Pi se ndrept spre
borna pozitiv a sursei de alimentare prin circuitul exterior, n regiunea Pnumrul de goluri crete;
Golurile din regiunea P strbat jonciunea PN i ajung n regiunea N (se
formeaz curentu l de golur i). Deoarece numrul de goluri care strbat
jonciunea este mai mare dect numrul de electroni curentul de goluri
formeaz curentul direct IDcare strbate jonciunea PN de la P spre N;
n concluzie, jonciunea PN la polarizare direct este strbtut de un
curent d irect de la regiun ea P spre regiun ea N; Deoarece numrul de electroni i goluri care ptrund n zona de barier cresc,
scad numrul de ioni pozitivi i negativi din zona de barier (electronii se
combin cu golurile). Aceast scdere duce la ngustarea regiunii de barier i
produce la capetele jonciunii PN o cdere de tensiune egal cu potenialul de
barier (tensiunea de prag).
Figura 2.3 Deplasarea fluxurilor de purttori la polarizarea direct a jonciuniiPN
Auxiliarul curricular - Electronic Analogic - este publicat online la adresa http://eprofu.ro/electronica/
-
7/25/2019 2Jonctiunea PN
4/10
AUXILIAR ELECTRONIC ANALOGIC COMPONENTE ELECTRONICE
11
Figura 2.4 Msurarea tensiunii i a curentului la polarizarea direct a jonciuniiPN
Prin reprezentarea grafic a valorilor obinuten montajele din figura 2.4se obine
caracteristica statica jonciunii PNpentru polarizarea direct(fig. 2.5).
Figura 2.5 Caracteristica static ajonciuniiPN pentru polarizarea direct
U U
0,7V
A
B
C
D
0
I
A B
C D
Auxiliarul curricular - Electronic Analogic - este publicat online la adresa http://eprofu.ro/electronica/
-
7/25/2019 2Jonctiunea PN
5/10
CAPITOLUL 2. JONCIUNEA PN.
12
2.3 POLARIZAREA INVERS A JONCIUNII PN
La polarizarea invers borna plus (+) a sursei de alimentare se conecteaz la
regiunea Na jonciunii PN iar borna minus (-)a sursei se conecteaz la regiunea P
a jonciunii PN. Jonciunea se conecteaz n serie cu un rezistor R care limiteaz
valoarea curentului prin circuit pentru a nu deteriora jonciunea.
Figura 2.6 Polarizarea inversa jonciunii PN
La polarizarea direct a jonciunii PN borna pozitiv a sursei de alimentare atrage
electronii din regiunea N spre captul din dreapta a regiunii iar n regiunea de barier
spre regiunea N apar ioni pozitivi suplimentari. n acelai timp borna negativ a
sursei de alimentare genereaz electroni liberi care se deplaseaz prin regiunea P
spre regiunea de blocare unde creeaz un surplus de ioni negativi.
n acest mod crete limea zonei de blocareiar purttorii majoritari scad semnificativ
pn cnd potenialul regiunii de blocare ajunge la valoarea tensiunii sursei de
alimentare E. Din acest moment curentul prin jonciune dispare aproape complet, cu
excepia unui curent invers foarte mic.
n concluzie, polarizarea invers a jonciunii PN determin apariia unui cmp electric
extern Eext mai mare i de acelai sens cu cmpul electric intern Eint, care se
ndreapt de la zona N spre zona P, care mpiedic deplasarea purttorilor de
sarcin majoritari dar favorizeaz deplasarea purttorilor de sarcin minoritari. Aceti
purttori de sarcin prin deplasarea lor formeaz curentu l inverscare este foarte
mic i este independent de valoarea tensiunii de alimentare. Valoarea curentului
invers depinde numai de temperatura jonciunii.
Eext
E
IINV
P
R
Eint
N
Auxiliarul curricular - Electronic Analogic - este publicat online la adresa http://eprofu.ro/electronica/
-
7/25/2019 2Jonctiunea PN
6/10
AUXILIAR ELECTRONIC ANALOGIC COMPONENTE ELECTRONICE
13
n figura 2.7sunt prezentate cteva situaii practice de polarizare invers a jonciunii
PN iar n figura 2.8 este prezentat caracteristica static a jonciunii PN pentru
polarizarea invers.
Figura 2.7 Msurarea tensiunii i a curentului la polarizarea invers a jonciuniiPN
Figura 2.8 Caracteristica static a jonciuniiPN pentru polarizarea invers
USTRreprezint tensiunea invers de strpungere a jonciunii PN (n acest caz 50V)
UINV
U
ABC
D
0
IINV
A B
C D
Auxiliarul curricular - Electronic Analogic - este publicat online la adresa http://eprofu.ro/electronica/
-
7/25/2019 2Jonctiunea PN
7/10
CAPITOLUL 2. JONCIUNEA PN.
14
n figura 2.9 este reprezentat graficul caracteristicii statice complete a jonciunii PN.
Figura 2.9 Caracteristica static a jonciunii PN
Caracteristica static a jonciunii PN este reprezentarea grafic a relaiei tensiune
curent ce caracterizeaz aceast jonciune. n figura 2.9 este reprezentat graficul
complet al caracteristicii statice n ambele situaii de polarizare.
ZONA I corespunde polarizrii directe cnd jonciunea PN permite trecereacurentului electric prin ea. Jonciunea se deschide i permite trecerea curentului
electric cnd tensiunea pe jonciune depete tensiunea de prag (Up).
n aceast zon de funcionare jonciunea are urmtoarele caracteristici:
Tensiunea la bornele jonciunii este aproximativ constant n jurul valorii
tensiunii de prag i nu crete odat cu tensiunea de alimentare;
Curentul prin jonciune are valoare mare i este dependent de valoarea
rezistorului conectat n serie cu jonciunea; Rezistena electric a jonciunii este foarte mic.
UD
[V]
0,7V
ID
[mA]
UINV
UST
0
IINV
[A]
U
ZONA I
ZONA II
ID max
IINV max
IINV
Auxiliarul curricular - Electronic Analogic - este publicat online la adresa http://eprofu.ro/electronica/
-
7/25/2019 2Jonctiunea PN
8/10
AUXILIAR ELECTRONIC ANALOGIC COMPONENTE ELECTRONICE
15
ZONA II corespunde polarizrii inverse cndjonciunea PN nu permite trecerea
curentului electric prin ea. Jonciunea este blocat iar curentul care circul prin
jonciune este foarte mic i depinde doar de temperatura jonciunii i natura
semiconductorului. Acest curent numit i curent invers este de ordinulnanoamperilor (10-9A) pentru Si i de ordinul microamperilor (10-6A) pentru Ge. n
aceast zon de funcionare jonciunea are urmtoarele caracteristici:
Tensiunea la bornele jonciunii este aproximativ egal cu valoarea tensiunii de
alimentare crete odat cu aceasta;
Curentul prin jonciune are valoare foarte mic i nu depinde de valoarea
tensiunii de alimentare att timp ct acesta nu depete valoare tensiunii de
strpungere a semiconductorului; Rezistena electric a jonciunii este foarte mare.
La extremitile celor dou zone se gsesc zonele care limiteaz funcionarea
jonciunii PN n parametrii normali, astfel:
La extremitatea zonei I cnd jonciunea este polarizat direct dac se
depete valoare curentulu i direct maxim (ID max) jonciunea se
supranclzete i se distruge. Pentru a preveni aceast situaie se calculeazcorect rezistena i puterea electric a rezistorului care se conecteaz n serie
cu jonciunea. Aceast valoare se calculeaz n funcie de valoarea tensiunii
de alimentare i a curentului maxim admis prin jonciune;
La extremitatea zonei II cnd jonciunea este polarizat invers dac se
depete valoare tensiunii de strpungere (UST) curentul prin jonciune
crete foarte mult fapt care duce la supranclzirea i distrugerea jonciunii.
Pentru a preveni aceast situaie se urmrete ca valoarea tensiunii de
alimentare s nu depeasc valoarea tensiunii de strpungere pentru care a
fost proiectat jonciunea, n situaia n care jonciunea este polarizat invers.
Auxiliarul curricular - Electronic Analogic - este publicat online la adresa http://eprofu.ro/electronica/
-
7/25/2019 2Jonctiunea PN
9/10
CAPITOLUL 2. JONCIUNEA PN.
16
REZUMATUL CAPITOLULUI
Jonciunea PNeste o structur fizic obinut prin doparea unui monocristal
semiconductor pur cu impuriti trivalente i pentavalente.
Jonciunea PN reprezint zona de contact dintre dou regiuni vecine, una de
tip Pi una de tip N.
Jonciunea PN are trei regiuni: dou regiuni neutre de tip pi de tip nntre
care se afl o regiune de trecere numit i regiune de blocare sau regiune
golit.
Prin polarizarea jonciunii se nelege alimentarea cu tensiune a jonciunii
prin conectarea celor dou regiuni neutre P i N la bornele unei surse de
tensiune continu.
La polarizarea directregiunea Pse conecteaz la borna pozitiva sursei
iar regiunea Nse conecteaz la borna negativa sursei de alimentare.
Lapolarizarea inversregiunea Pse conecteaz la borna negativa sursei
iar regiunea Nse conecteaz la borna pozitiva sursei de alimentare.
Tensiunea de prag (potenialul de barier) reprezint tensiunea minim la
care jonciunea permite la polarizarea direct trecerea curentului electric.
La cristalul de siliciu tensiunea de prag este 0,6 1,2 V iar la cristalul de
germaniu tensiunea de prag este 0,20,6 V.
La polarizarea direct a jonciunii PN regiunea golit se ngusteaz iar la
polarizarea invers regiunea golit se lrgete.
Cnd se polarizeaz o jonciune se conecteaz n circuitul electric n serie cu
un rezistor care are rolul de a limita curentul electric prinjonciune.
La polarizarea direct rezistena electric a jonciunii este foarte mic i n
momentul n care tensiunea pe jonciune depete tensiunea de prag prin
jonciune circul un curentmare (numit i curent direct)dinspre zona Psprezona N.
La polarizarea invers rezistena electric a jonciunii este foarte mare iar prin
jonciune circul un curent foarte mic(numit i curent invers)dinspre zona N
spre zona P.
Pentru a preveni deteriorarea jonciunii PN se ine cont de valoarea maxim a
curentului direct i valoarea tensiunii inverse maxime ( tensiune de
strpungere).
Auxiliarul curricular - Electronic Analogic - este publicat online la adresa http://eprofu.ro/electronica/
-
7/25/2019 2Jonctiunea PN
10/10
AUXILIAR ELECTRONIC ANALOGIC COMPONENTE ELECTRONICE
17
EVALUAREA CUNOTINELOR
I ncercuiete varianta de rspuns corect.
1. Jonciunea PN se formeaz la:
a. Recombinarea electronilor cu golurile;
b. Ciocnirea unui neutron i proton;
c. Limita de separare ale semiconductoarelor de tip P i tip N.
2. Regiunea golit const n:
a. Purttori majoritari;
b. Purttori minoritari;
c. Ioni pozitivi i negativi.
3. Polarizarea nseamn:
a. Intensitatea curentului ce strbate jonciunea;b. Tensiunea electricdintre zonele P i N ale jonciunii PN;
c. Tensiunea electric continu aplicat la zonele P i N ale jonciunii.
4. Tensiune de prag reprezint:
a. Tensiunea minim la care jonciunea permite trecerea curentului;
b. Tensiunea minim la care jonciunea blocheaz trecerea curentului;
c. Tensiunea maxim la care jonciunea permite trecerea curentului.
5. La polarizarea direct a jonciunii PN:a. Borna pozitiv a sursei de alimentare se conecteaz la zona N;
b. Borna pozitiv a sursei de alimentare se conecteaz la zona P;
c. Borna pozitiva a sursei de alimentare se poate conecta la orice zon.
6. La polarizarea invers a jonciunii PN:
a. Borna pozitiv a sursei de alimentare se conecteaz la zona N;
b. Borna pozitiv a sursei de alimentare se conecteaz la zona P;
c. Borna pozitiva a sursei de alimentare se poate conecta la orice zon.
7. La polarizarea direct a jonciunii PN:
a. Curentul prin jonciune este mare i tensiunea pe jonciune este mic;
b. Curentul prin jonciune este mic i tensiunea pe jonciune este mare;
c. Curentul i tensiunea sunt mari.
8. La polarizarea invers a jonciunii PN:
a. Curentul prin jonciune este mare i tensiunea pe jonciune este mic;
b. Curentul prin jonciune este mic i tensiunea pe jonciune este mare;
c. Curentul i tensiunea sunt mari.
Auxiliarul curricular - Electronic Analogic - este publicat online la adresa http://eprofu.ro/electronica/