Curs nr. 9.

ELECTRONICĂ Dispozitive electronice - Diode semiconductoare şi aplicaţiile lor

Dioda semiconductoare (sau mai simplu, dioda) are la bază o joncţiune pn, joncţiune care se formează la contactul unei regiuni p cu o regiune n a aceluiaşi cristal semiconductor.

Fig. 1. Simbolul şi mărimile electrice asociate diodei. Asocierea cu joncţiunea pn.

Simbolul diodei din figura 1 este în esenţă o săgeată orientată de la zona p la zona n a semiconductorului, săgeată care arată sensul de referinţă al tensiunii şi a curentului prin diodă.

Proprietatea principală a diodei este conducţia unilaterală; dioda permite trecerea curentului în sensul săgeţii şi blochează curentul în celălalt sens.

Terminalul pozitiv al diodei (cel cu săgeată, zona p) se numeşte anod, iar cel negativ catod; aceste denumiri s-au păstrat de la tuburile electronice (de la dioda cu vid). În cazul diodelor de mică putere, catodul este marcat cu o bandă (de culoare albă pentru capsule negre din plastic) sau un grup de benzi colorate (mai apropiate de catod, la unele diode cu capsulă de sticlă). Experimental, curentul iese din diodă prin terminalul marcat cu bandă (catodul diodei).

1. Descrierea joncţiunii pn

Dioda semiconductoare este formată dintr-o joncţiune pn conform figurii 2. Joncţiunea pn se formează la contactul unei regiuni de tip p cu o regiune de tip n a aceluiaşi cristal semiconductor. Regiunile p şi n sunt create prin doparea diferită cu impurităţi a celor două regiuni; trecerea de la o regiune la alta se face pe o distanţă foarte mică, de ordinul fracţiunilor de micron. La regiunile p şi n sunt ataşate terminale prin care se conectează dioda în circuit.

Fig. 2. Structura fizică simplificată a joncţiunii pn

Joncţiunea pn nu se poate realiza prin punerea în contact mecanic a 2 cristale p şi n, deoarece metodele tehnologice actuale nu permit o alipire astfel încât să se obţină distanţe mai mici decât cele interatomice, iar reţeaua cristalină odată stricată nu mai poate fi refăcută. În plus, oricât de fin ar fi prelucrate suprafeţele, defectele care apar în zona contactului împiedică şi ele mişcarea purtătorilor de sarcină şi măresc foarte mult viteza de recombinare a purtătorilor de sarcină.

Joncţiunea pn este şi elementul de bază al tranzistoarelor bipolare, joacând un rol funcţional important la tranzistoarele cu efect de câmp. De aceea, analiza joncţiunii pn este importantă

1

Semiconductor

de tip p de tip n

Contact metalic

Catod

Contact metalic

Anod

p n

Ai

Au

pentru înţelegerea funcţionării tuturor dispozitivelor semiconductoare.

Joncţiunile pn se pot realiza prin următoarele tehnologii:- metoda alierii;- tehnologia planară;- metoda creşterii epitaxiale;- implantare ionică.

2. Joncţiunea pn nepolarizată (la echilibru termic)

Se consideră o joncţiune pn cu trecerea între zonele p şi n abruptă. Imediat după realizarea contactului celor două regiuni p şi n, în dreptul joncţiunii, datorită diferenţei de concentraţie dintre cele două regiuni p şi n, purtătorii majoritari de sarcină difuzează din regiunile cu concentraţie mare în regiunile cu concentraţie mică.

Prin urmare, electronii majoritari în regiunea n, trec din n în regiunea p, unde se recombină cu golurile. Din regiunea p, golurile majoritare trec în regiunea n, unde se recombină cu electronii. Prin plecarea lor, de o parte şi de alta a suprafeţei de separaţie se formează o regiune sărăcită în purtători de sarcină, numită regiune de trecere. Atomii ionizaţi rămaşi prin plecarea purtătorilor de sarcină determină apariţia unui câmp electric intern, ce acţionează ca o barieră asupră purtătorilor majoritari de sarcină, împiedicându-i să mai înnainteze. Valoarea potenţialului barierei, U0, este de 0,2-0,7 V.

Sensul câmpului intern favorizează însă deplasarea purtătorilor minoritari, care se deplasează acum tot de la concentraţie mare la concentraţie mică. Se stabileşte astfel un echilibru termic şi statistic, trecerile purtătorilor majoritari fiind compensate de trecerile purtătorilor minoritari în sens opus.

Curentul total prin joncţiune este nul, dacă nu se aplică din exterior o tensiune electrică !

La echilibru termic, joncţiunea nepolarizată ( fără a i se aplica vreo tensiune din exterior) comportă 3 regiuni:

- o regiune neutră p,- o regiune neutră n,- o regiune de trecere sărăcită în purtători liberi de sarcină ( electroni, goluri),

caracterizată de o conductivitate scăzută, rezistivitate mare şi de o barieră de potenţial de o valoare specifică U0 ( 0,2-0,7V).

3. Joncţiunea pn polarizată

Prin polarizare se înţelege aplicarea unei tensiuni continue (sau curent continuu) unui dispozitiv electronic, în acest caz unei joncţiuni. Polarizarea joncţiunii pn poate fi:

- directă, cu borna (+) a sursei externe conectată la zona p;

- inversă, cu borna (+) a sursei externe conectată la zona n.

3.1. Joncţiunea polarizată direct

Datorită polarizării se modifică diferenţa de potenţial pe joncţiune, faţă de tensiunea U0 de la echilibru termic. Se notează cu uA tensiunea de polarizare (cu sensul de la p la n).

Modificarea tensiunii pe joncţiune UJ , faţă de U0 :

,

2

conduce la modificarea lăţimii zonei de trecere în sensul micşorării acesteia, figura 3.

Fig. 3. Joncţiunea pn polarizată direct

Curentul prin joncţiune depinde foarte mult de tensiunea pe joncţiune, fiind determinat de concentraţia purtătorilor majoritari care reuşesc să învingă bariera de potenţial (barieră care depinde de tensiunea pe joncţiune şi implicit de tensiunea de polarizare aplicată din exterior). La polarizare directă curentul prin joncţiune este mare şi se numeşte curent direct.

3.2. Joncţiunea polarizată invers

Sensul tensiunii aplicate determină creşterea diferenţei de potenţial a barierei şi creşterea lăţimii regiunii de trecere, figura 4.

Prin urmare, puţini purtători majoritari de sarcină reuşesc să depăşească bariera, prin urmare curentul prin joncţiune este mic. Curentul se numeşte curent invers şi este asigurat doar de purtătorii minoritari de sarcină favorizaţi de sensul câmpului aplicat barierei de potenţial. El are valori de ordinul nA sau A, în funcţie de tipul cristalului semiconductor de bază în care este realizată joncţiunea pn.

Fig. 4. Joncţiunea pn polarizată invers

CONCLUZII:

Joncţiunea pn se comportă diferit în funcţie de polarizarea ei. Astfel:- prezintă rezistenţă mică la polarizare directă şi un curent mare prin joncţiune;- prezintă rezistenţă mare la polarizare inversă şi un curent f. mic prin joncţiune.

4. Ecuaţia joncţiunii idealizate

Curentul prin joncţiune iA, se obţine din ecuaţia joncţiunii idealizate:

3

iA n p

uA

UJ (<U0)

E i - E A

EAEi

+

n puA (<0)

UJ (>U0)

E A + E i

EA

Ei

iA (<0)

+

Curentul I0 reprezintă curentul invers (prin joncţiunea polarizată invers). Acest curent se mai numeşte şi curent invers de saturaţie al joncţiunii, deoarece pentru tensiuni inverse (uA <0) mult mai mari în modul decât tensiunea termică (uA<< –UT), curentul invers se

saturează, adică ajunge la o valoare constantă iA = –I0 , conform relaţiei de mai sus.

Valoarea acestui curent este de ordinul microamperilor (10-6A) pentru diodele cu

germaniu şi de ordinul picoamperilor (10-12A) pentru diodele cu siliciu. Curentul I0 depinde

exponenţial de temperatura absolută conform ecuaţiei de mai sus. La temperaturi uzuale se poate considera că I0 se dublează la creşterea temperaturii cu circa 10°C.

În ecuaţie, k este constanta lui Boltzman, iar T este temperatura exprimată în grade Kelvin.

5. Caracteristica statică a joncţiunii pn

Caracteristica statică a joncţiunii pn idealizate este graficul funcţiei iA(uA) din

ecuaţia joncţiunii idealizate.

În cazul joncţiunilor reale caracteristica statică diferă de cea ideală şi poate fi obţinută prin măsurători de laborator. O astfel de caracteristică este trasată în figura 5 (pentru cazul joncţiunii cu siliciu).

Fig. 5. Caracteristica statică a joncţiunii pn

Se remarcă existenţa a trei regiuni în care joncţiunea se comportă diferit, numite regiuni de:

- polarizare directă, pentru uA>0,- polarizare inversă, pentru uA<0,- străpungere, pentru uA<–US t r .

Proprietatea principală a diodei este pusă în evidentă prin intermediul conceptului de diodă ideală.

4

iA

uA

0

–UStr

0,5V0,7V

8. Polarizarea diodei semiconductoare( joncţiunii pn)

Dioda semiconductoare ca dispozitiv electronic este realizată cu o joncţiune pn încapsulată şi prevăzută cu două terminale pentru conectarea în circuit. Un astfel de dispozitiv este ceea ce se numeşte o componentă discretă de circuit. În circuitele integrate, dioda este realizată împreună cu foarte multe alte dispozitive semiconductoare pe aceeaşi plachetă de siliciu (cip); acest cip este încapsulat ca atare şi capsula este prevăzută cu terminale pentru conectare în circuit.

Considerând dioda formată dintr-o joncţiune pn, polarizarea diodei este identică polarizării joncţiunii pn. Analiza se realizează pe caracteristica statică a joncţiunii pn .

Fig.6. Caracteristica statică a diodei semiconductoare

8.1. Regiunea de polarizare directă

Regiunea de polarizare directă (sau mai simplu regiunea directă) este caracterizată de o tensiune uA pozitivă (de la p la n) şi poate fi împărţită în trei subregiuni în funcţie de

valoarea curentului direct care trece prin joncţiune.

În domeniul curenţilor mici şi medii dependenţa tensiunii de curent este exponenţială. Deoarece scalele de reprezentare sunt liniare, curentul pe caracteristica statică apare neglijabil de mic pentru o tensiune mai mică decât circa 0,5V (la siliciu). Această tensiune se numeşte tensiune de deschidere (sau de prag). Pentru o tensiune mai mică decât tensiunea de deschidere curentul prin joncţiune poate fi considerat ca fiind practic nul.

O altă consecinţă a caracteristicii de tip exponenţial este creşterea rapidă a curentului cu tensiunea. Astfel, pentru un domeniu foarte larg de curenţi modificarea tensiunii pe joncţiune este relativ mică; la o diodă redresoare de 1A de exemplu, tensiunea pe diodă variază de la circa 0,6 la 0,8V pentru o variaţie a curentului de la 1mA până la 100mA (două decade). Pentru simplitate se poate admite că tensiunea pe dioda în conducţie este aproximativ constantă şi are circa 0,7V.

În domeniul curenţilor mari tensiunea pe joncţiune este mai mare decât valoarea rezultată din caracteristica exponenţială. Tensiunea uA aplicată joncţiunii se divide, o parte

revenind regiunii de trecere sărăcită în purtători de sarcină şi restul tensiunii revenind

5

iA

uA

0

–UStr

0,5V0,7V

regiunilor neutre şi contactelor ohmice ale diodei, care împreună formează rezistenţa serie, rs .

Întrucât, din ecuaţia joncţiunii idealizate, atât I0 cât şi UT sunt funcţii de temperatură,

caracteristica directă a joncţiunii depinde de temperatură după o funcţie de tip exponenţial. Deoarece şi variaţia curentului cu tensiunea este exponenţială, se poate arăta că, la un curent constant prin joncţiune, tensiunea scade cu aproximativ 2mV pentru fiecare grad Celsius creştere a temperaturii. Liniaritatea tensiunii uA cu temperatura este utilizată la unele

termometre electronice.

La curent constant, tensiunea scade cu cca. 2mV pt. fiecare grad Celsius de creştere a temperaturii.

Fig. 7. Influenţa temperaturii asupra caracteristicii directe a joncţiunii pn (diodei)

8.2. Regiunea de polarizare inversă

Conform ecuaţiei joncţiunii idealizate, curentul invers prin joncţiune nu depinde de tensiunea inversă aplicată (dacă uA<< –UT). Practic însă, curentul invers creşte o dată cu

creşterea tensiunii inverse, deci nu se saturează. Această creştere se datorează generării termice şi efectelor de suprafaţă care depind de tensiunea inversă aplicată.

Generarea termică se referă la purtătorii minoritari generaţi termic în regiunea de terece a joncţiunii pn care nu mai sunt compensaţi prin recombinare, deoarece purtătorii majoritari cu care ar trebui să se recombine au o concentraţie foarte mică în regiunea de trecere sărăcită în purtători de sarcină, golită de purtători. Apare astfel un curent de generare, care depinde de lăţimea barierei de potenţial şi implicit de tensiunea inversă aplicată.

Fenomenele care duc la creşterea curentului invers au o importanţă practică destul de redusă deoarece curentul invers, chiar crescut fiind, rămâne neglijabil pentru majoritatea aplicaţiilor.

8.3. Regiunea de străpungere

La tensiuni inverse mari, se constată o creştere foarte mare a curentului prin joncţiune. La o anumită tensiune, numită tensiune de străpungere UStr , curentul creşte abrupt către infinit şi el trebuie să fie limitat din circuitul exterior pentru a nu depăşi valoarea la care joncţiunea s-ar distruge. Mecanismele care pot cauza străpungerea sunt efectul Zener şi multiplicarea în avalanşă a purtătorilor de sarcină.

8.3.1. Efectul Zener

Efectul Zener constă din ruperea unor legături covalente dintre atomii reţelei cristaline datorită unui câmp electric foarte intens (concentrat în regiunea de trecere a joncţiunii). Se

6

iA

uA0

T2 > T1

I–2mV/°C

generează astfel perechi electron-gol, curentul invers creşte foarte mult şi se produce străpungerea joncţiunii.

Acest tip de străpungere are loc la joncţiuni foarte înguste, realizate din

semiconductoare puternic dopate (concentraţii de impurităţi >1018 atomi /cm3). La aceste joncţiuni înguste câmpul electric de valori foarte mari apare pentru tensiuni reduse, de ordinul volţilor; pentru US t r<5V este preponderentă străpungerea prin efect Zener.

Tensiunea de străpungere scade cu temperatura deoarece o dată cu creşterea temperaturii creşte agitaţia termică şi este necesar un surplus de energie mai mic pentru a rupe legăturile covalente. Coeficientul de temperatură este negativ şi este mai mare (în modul) pentru tensiuni de străpungere mai mici.

8.3.2. Fenomenul de multiplicare în avalanşă

Străpungerea datorată multiplicării în avalanşă a purtătorilor de sarcină este specifică joncţiunilor realizate din semiconductoare cu un grad de dopare mic sau mediu (concentraţia

de impurităţi=1014…1017 atomi/cm3) pentru care lăţimea regiunii golite este comparabilă cu drumul liber mediu al purtătorilor de sarcină.

Sub acţiunea câmpului electric intens, purtătorii mobili dobândesc o energie suficientă pentru a produce ionizarea atomilor cu care se ciocnesc şi apar purtători suplimentari, care ionizează la rândul lor alţi atomi.

Curentul creşte foarte mult datorită multiplicării în avalanşă a purtătorilor în regiunea de trecere a joncţiunii. Tensiunea de străpungere datorată multiplicării în avalanşă depinde de temperatură deoarece la creşterea temperaturii scade drumul liber mediu şi pentru a obţine aceeaşi energie este necesar un câmp electric de accelerare şi deci o tensiune mai mare. Coeficientul de temperatură este pozitiv cu o valoare tipică de circa 0,1% pe grad Celsius.

Fenomenul de străpungere este nedistructiv; distrugerea joncţiunii poate să apară însă datorită efectelor termice asociate – depăşirea puterii disipate admisibile a dispozitivului respectiv.

9. Tipuri de diode şi aplicaţiile lor

În funcţie de fenomenele fizice din joncţiune pe care dioda le exploatează, există mai multe tipuri de diode. Cele mai utilizate tipuri sunt:

- diodele redresoare, care se bazează pe conducţia unilaterală (datorată diferenţei foarte mari dintre curentul direct şi curentul invers prin joncţiune) şi sunt destinate utilizării în circuite redresoare pentru reţeaua de c.a. de 50Hz. Parametrii lor principali sunt: curentul maxim IM şi tensiunea inversă maximă, UM. Plaja de valori ale acestor parametrii este de amperi- zeci de mii de amperi pentru IM şi zeci de volţi – zeci de mii de volţi pentru UM.

Diodele redresoare de curenţi mari sunt construite în aşa fel încât să le poată fi ataşate radiatoare de răcire pentru puterea disipată. Diodele de curenţi mici sunt închise în capsule de plastic sau ceramică şi au catodul marcat cu o bandă albă sau neagră.

- diodele stabilizatoare de tensiune, sau diode Zener, care exploatează relativa independenţă a tensiunii inverse faţă de curent, din regiunea de străpungere. Această diodă este construită pentru a fi utilizată în zona de străpungere inversă. Simbolurile utilizate ale diodei Zener este dat în figura 8.

7

Fig. 8. Simbolizări ale diodei Zener

În polarizare directă, comportarea acestei diode este similară diodelor redresoare. În polarizare inversă însă, dioda se străpunge la o tensiune numită tensiune Zener, UZ, constantă pentru o anumită diodă şi de obicei marcată în clar pe corpul diodei. Acest tip de diodă este utilizat îndeosebi în circuitele stabilizatoare de tensiune.

- diode de comutaţie, care sunt destinate utilizării în circuite funcţionând în comutaţie sau la frecvenţe ridicate . Parametrii principali ai acestor diode sunt timpii de comutaţie.

- diode varicap. Denumirea diodei vine de la expresia capacitate variabilă. Simbolul ei este prezentat în figura 9. Dioda este utilizată în polarizare inversă şi proprietatea principală a ei este comportarea în această situaţie ca un condensator cu capacitate variabilă, dependentă de tensiunea la borne.

Fig. 9. Simbol diodă varicap

Toate diodele au această proprietate, dar diodele varicap sunt construite astfel încât dependenţa capacitate – tensiune să aibă un profil optim. Zona de variaţie este în intervalul 1 .....100 pF. Domeniul principal de utilizare al acestui tip de diode este cel al radiocomunicaţiilor, în acordul circuitelor oscilante din emiţătoare şi receptoare.

- diode varactor, sunt componente cu reactanţa variabilă, de unde şi denumirea lor: VARiable reACTOR. Acest tip de diode sunt utilizate în amplificatoare parametrice, generatoare de armonici ( dubloare, triploare de frecvenţă de ordinul sutelor de MHz), generatoare de impulsuri, amplificatoare cu zgomot redus, etc.

- diode Gunn, specifice generatoarelor (oscilatoarelor) de microunde, funcţionând prin efectul Gunn. Acest efect constă în apariţia unei oscilaţii de foarte înaltă frecvenţă în semiconductoare omogene, la trecerea unui curent prin acestea. Ele necesită tensiuni de alimentare relativ reduse (5-10V) şi pot produce oscilaţii de până la 20-30GHz la puteri de 10-100mW.

- Diode Impatt, care funcţionează în zona de avalanşă a caracteristicii u= f(i), la densităţi foarte mari de curent, condiţii în care ele produc oscilaţii în domeniul microundelor de până la 100GHz, cu un randament de până la 10%. Datorită densităţilor mari de curent (1-5 A/mm2= pe zona de avalanşă (70-120V), la realizarea acestor diode se impun măsuri constructive deosebite, pentru eliminarea căldurii ( radiator interior), rezistenţă termică joncţiune-capsulă redusă, etc. Acest tip de diode sunt utilizate la generatoare de microunde în domeniul 5-100GHz, generatoare ce sunt înglobate în dispozitive de alarmă, radare pentru controlul circulaţiei, sisteme de navigaţie aeriană.

- diode fotoluminiscente (LED), care transformă energia electrică în energie luminoasă, la polarizare directă. Dioda fotoemisivă este compusă dintr-o joncţiune pn polarizată direct, care transformă energia electrică în energie luminoasă monocromatică în mod direct. Cristalul de bază în care se realizează joncţiunea nu este Si sau Ge ca la celelalte tipuri de

8

diode, întrucât energia de recombinare a purtătorilor se degajă doar sub formă de căldură, nefiind posibilă obţinerea unei radiaţii luminoase. Materialele folosite sunt combinaţii de Ga-As şi Ga-As-P, a căror utilizare conduc la recombinări luminoase în număr mare.

Simbolul diodelor fotoemisive este dat în figura 10.

Fig. 10. Simbolul diodei fotoluminiscente LED

Lungimea de undă a radiaţiei emise de dioda LED depinde de materialul utilizat în cristalul de bază şi de modul de dopare. Acest tip de diode sunt folosite pentru semnalizări şi în afişoarele cu 7 segmente ( figura 11).

Fig. 11. Afişor cu 7 segmente

Cele 7 elemente sunt 7 diode LED care au catodul comun, iar anozii sunt legaţi la terminale separate. Cifrele de le 0 la 9 se obţin prin aplicare tensiunilor de polarizare pe anozii corespunzători segmentelor care intră în conturul cifrei respective.

9