Fisica della giunzione PN

Ciao a tutti, ho una domanda sulla fisica di funzionamento di una giunzione PN.
Quando viene formata una giunzione PN e non viene applicato alcun potenziale ai suoi capi si raggiunge una situazione di equilibrio.
Gli elettroni liberi nella zona N e le lacune della zona P si muovono per diffusione nelle zone opposte.
Se questo fenomeno non avesse un limite si verificherebbe la totale omogeneità di distribuzione di cariche sia nella zona P che nella zona N.
Man mano che le cariche libere si spostano da una zona all'altra lasciano un atomo drogante senza o con un elettrone in più rispetto alla loro configurazione di equilibrio elettrico.
Questo va a creare degli atomi ionizzati positivamente nella zona N e negativamente nella zona P.
Questi ioni si vanno a formare proprio nella zona vicina alla giunzione e, generando un campo elettrico per la loro carica, prevengono il passaggio di altre cariche libere da una parte all'altra (zona di deplessione).
Così viene fermato il fenomeno di diffusione, con il risultato che alcuni degli elettroni che c'erano in più nella zona N sono andati nella zona P e alcune delle lacune in più che erano presenti nella zona P sono passati nella zona N. Queste sono chiamate cariche MINORITARIE.

Fino qua tutto giusto vero?

Il mio problema sorge quando si va a polarizzare direttamente la giunzione, ovvero si connette alla zona P un potezinziale più alto di quello connesso alla zona N.
A questo punto ho alcuni concetti chiave che non riesco a collegare:
- La zona di deplessione si riduce
- Le cariche minoritarie in entrambe le zone aumentano
Io penso che la ampiezza zona di deplessione sia direttamente collegata alla elevata presenza di cariche minoritarie nella zona opposta a quella considerata. Ovvero se nella zona N ci sono molti ioni POSITIVI vicino alla giunzione significa che molti ELETTRONI sono passati alla zona P vero? E questi sono appunto le cariche MINORITARIE.
Di conseguenza il fatto che venga ridotta la zona di deplessione mi fa pensare che le cariche minoritarie siano "TORNATE A CASA" grazie all'energia del nuovo campo elettrico.
Il mio libro dice il contrario, e non riesco a capire il perchè.
Qualcuno mi sa aiutare?

Grazie

Ciao Borelg,

sono un po´arrugginito a riguardo e se non ripasso l´argomento rischierei di portarti al tra confusione.

Il primo ragionamento che fai e´corretto mentre per la seconda parte che cosa afferma il testo?
Su che libro stai studiando?

Saluti

Mauro

Ciao Mauro,
sto studiando sul Behzad Razavi.

Il problema é che il libro non spiega il concetto, lo dimostra analiticamente.
Infatti lui parte ricordando la relazione che ci permette di trovare la differenza di potenziale ai capi della zona di deplessione in caso di equilibrio:



(questa relazione viene ricavata partendo dall'ipotesi che in caso di equilibrio la corrente di diffusione e quella di drift si equivalgono.)
(kT/q equivale a Vt che è la Thermal Voltage)

Di conseguenza fa la formula inversa ricavando il numero di cariche minoritarie (in questo caso considera la zona P):



Dove quel Vf che é stato introdotto rappresenta appunto l'effetto del forward bias che abbiamo introdotto che va a ridurre il campo elettrico che ferma la corrente di diffusione nella zona di deplessione.
Da qui si puó vedere chiaramente che il denominatore si riduce esponenzialmente e quindi aumentano esponenzialmente le cariche minoritarie, ma non riesco a capire come funziona il meccanismo nella realtá.

Saluti e grazie

Ok mi hanno illuminato.

Il mio problema era che stavo ragionando come se il generatore creasse un campo elettrico nel semiconduttore per magia.
Mentre il realtá quello che avviene dovrebbe essere questo:
- Il generatore crea il campo elettrico al suo interno
- Gli elettroni presenti nei conduttori che lo collegano al semiconduttore vengono spinti dentro al semiconduttore (parte P)
- Questi elettroni vanno a ricombinarsi con gli ioni lasciati liberi durante la creazione della zona di svuotamento così facendo la RIDUCONO.
- Contemporaneamente si ottiene l'effetto della riduzione del campo elettrico che manteneva ferma la corrente di diffusione che riparte e si incrementa fino a far raggiungere un regime di equilibrio dinamico al semiconduttore.
- A causa della corrente di diffusione molte cariche passano nell'altra zona andando ad incrementare le fila delle CARICHE MINORITARIE.

Così dovrebbe essere spiegato tutto.
Puó essere giusto?

Salve!
Il principio di funzionamento di una giunzione pn non è complicatissimo. E' opportuno, però, che sia chiara la differenza tra cariche maggioritarie, cariche minoritarie e atomi ionizzati. In effetti, i libri non spiegano chiaramente tutti i fenomeni derivanti dall'applicazione di una differenza di potenziale ai capi di una giunzione. Spero di non raccontare baggianate nelle prossime righe; sono cose che ho avuto modo di vedere in tempi non recenti e i miei appunti potrebbero essere imprecisi!

Mettendo a contatto un semiconduttore di tipo p con uno di tipo n si realizza una giunzione. Quello che si ottiene è un forte gradiente di concentrazione (nella regione p abbondano le lacune e, per questo, costituiscono le cariche maggioritarie nella medesima regione, mentre nella regione n le cariche maggioritarie sono determinate dall'eccesso di elettroni). In questo modo, ha luogo una diffusione di lacune dalla regione p alla regione n e una diffusione di elettroni dalla regione n alla regione p. A seguito di questa diffusione, i portatori che prima erano maggioritari nelle rispettive regioni, diventano minoritari nella loro nuova "sede". Inoltre, nella regione p (nei pressi della giunzione) si vengono a formare atomi accettori ionizzati carichi negativamente perché non compensati, mentre nella regione n (sempre in prossimità della giunzione) si vengono a formare atomi donori ionizzati positivamente. Tutti questi atomi ionizzati non sono mobili, sono fissi, e determinano la ben nota zona di deplezione (o regione di carica spaziale). Le lacune (portatori maggioritari in p) che diffondono nella zona n, si ricombinano. Lo stesso avviene per gli elettroni (maggioritari in n) nel passaggio dalla regione n alla regione p. In seguito alla formazione di atomi ionizzati carichi positivamente in una regione e negativamente nell'altra, si genera un campo elettrico. Questo campo elettrico ha verso opposto al movimenti di cariche che diffondono a causa del gradiente di concentrazione e determina, quindi, una barriera di potenziale. Per questo motivo (all'equilibrio), risulta nullo il flusso netto di corrente (diffusione e drift). Questo campo elettrico è noto con il termine "built-in" Applichiamo adesso un potenzale positivo in corrispondenza della regione p ed uno negativo in corrispondenza delle regione n. Stiamo, quindi, polarizzando direttamente la giunzione. Quello che si instaura è un campo elettrico (esterno) opposto a quello di built-in. Pertanto, si ha una riduzione della barriera di potenziale. Con questa fonte esterna, i portatori maggioritari nella zona n (elettroni) sono attratti dal potenziale positivo della fonte applicato nella zona p, mentre quelli maggioritari della zona p (lacune) sono attratti dal potenziale negativo. Durante questo transito, si assiste alla neutrallizzazione di alcune delle cariche fisse precedentemente menzionate (la regione di carica spaziale si riduce!). Non solo! I portatori maggioritari (lacune) che transitano dalla regione p alla regione n diventano, ovviamente, minoritari nella nuova regione! Questi determinano un eccesso di cariche minoritarie nella regione n. Analogamente, i portatori maggioritari (elettroni) che si spostano da n a p determinano un eccesso di cariche minoritarie nella regione p! Conseguentemente, si ha un aumento dei portatori minoritari ai bordi della regione di carica spaziale. Questo processo è noto come "iniezione di cariche minoritarie". Il fenomeno di diffusione è aumentato, ed è prevalente! La conseguente corrente è data dalla ben nota equazione avente andamento esponenziale. Polarizzando inversamente la giunzione, invece, le cariche maggioritarie delle rispettive regioni si allontanano dalla regione di carica spaziale determinando, quindi, una diminuzione delle cariche minoritarie ai bordi della regione di carica spaziale e un allargamentpo della stessa. Sarebbe utile corredare il tutto con delle immagini (facilmente reperibili con google) per evidenziare le suddette cariche in eccesso. Appena trovo due minuti posso allegare un disegnino. Spero di non aver creato ulteriori dubbi..

Saluti,
Cosimo