teorie cuntan

7/22/2019 teorie Cuntan

1/12

1. Procese fizice in jonctiunea p-n. Polarizarea jonctiunii p-n

Datorit diferenei de concentraie de purttori de sarcin ntre cele dou zone

va aprea un proces de difuzie a purttorilor majoritari, avnd ca rezultat apariia unor

poriuni de sarcin spaial n vecintatea planului de separaie care devin srace n

purttori de sarcin mobili. Sarcina spaial fix const n goluri n zona n, respectiv

electroni n zonap.

Limea total de sarcin spaial depinde de concentraiile de atomi donori

respectiv acceptori din regiunile respective.

+

+

+

+

- -

- -

- -

- -

nnpp

}

} cureni de conducie

(de cmp)

{

ipm

inm

Fig. 2-17 Difuzia i recombinarea purttorilor mobili n

Regiune p

Regiune n

l

ipM

inM

} cureni deRegiune

de trecere

np

pn

ariaia ideal a intensitii cmptric

Variaia real a tensiunii

+ +

+ +

+ +

- -

- -

- -

nnpp

PM nM

pnnp Regiune de tip nneutrRegiune de tip p

neutr

ariaia real a intensitii cmpulutric

xU

xU0

Regiune de trecere

Variaia ideal a tensiunii


2/12

ntre cele dou sarcini spaiale apare un cmp electric intern (E) , care opune n

calea sarcinilor care difuzeaz o barier de potenialU0 (tensiune de barier). Cmpul

electric este ndreptat de la n lap i apare exclusiv n interiorul regiunii de trecere. Cuct diferena concentraiilor de impuriti este mai mare cu att cmpul electric intern

este mai intens. Acest cmp electric se opune difuziei n continuare a purttorilor

majoritari dar favorizeaz circulaia purttorilor minoritari (fig.2-18). Prin urmare, pentru

ca electronii s poat traversa bariera cmpului electricdin regiunea de trecere trebuie

s li se furnizeze energie din exterior. Diferena de potenial datorat cmpului electric

din regiunea de trecere reprezint cantitatea de energie necesar electronilor pentru a

traversa cmpul electric. Aceast diferen de potenial se numete tensiune de barier

i se exprim n voli. Altfel spus, de o parte i de cealalt a jonciunii pn trebuie

aplicat o anumit tensiune, cu polaritatea corect i cu valoarea egal cu tensiunea de

barier, pentru ca electronii s nceap s circule prin jonciune.

Tensiunea de barier a unei jonciuni pn depinde de civa factori, printre care:

tipul materialului semiconductor, concentraia de impuriti i temperatura. Tensiunea

de barier tipic este de aproximativ 0,7V pentru siliciu i 0,3V pentru germaniu, la

temperatura normal de lucru 250C.

Formula dup care se calculeaz tensiunea de barier este:

p

nT

n

p

T

n

nU

p

pUU lnln

0== unde: U0 - tensiune de barier (potenial de barier)

UT tensiune termic;pn- concentraie de purttori de sarcin de tip p n zona n;pp - concentraie de purttori de sarcin de tip p n zona p;

nn- concentraie de purttori de sarcin de tip n n zona n;np- concentraie de purttori de satcin de tip n n zona p;

)(26 mVe

KTU

T== unde: K constanta lui Boltzman

KVcK 0

231038,1 =

T- temperatura absolut (0K) 250C 3000Ke sarcina electronului ( ( )Ce 19106,1 = )

n cazul jonciunii nepolarizate exist relaiile:nmnM

pmpM

ii

ii

=

= 0=totali

unde: nM,pM ii sunt cureni datorai purttorilor majoritari de sarcin; nm,pm ii sunt cureni datorai purttorilor minoritari de sarcin;

ntr-o jonciune nepolarizat curentul total este zero.

Polarizarea direct a jonciunii pn

Fig. 2-18


3/12

Polarizarea direct a jonciuniipn const n alimentarea cu tensiune a acesteia astfelnct semiconductorul de tipp s fie la un potenial mai pozitiv dect semiconductorulde tip n.

Aplicarea unei polarizri directe duce la micorarea cmpului electric intern(cmpul electric produs de tensiunea aplicat este de sens contrar cmpului electricintern). Aceasta duce la micorarea curenilor de cmp i mrirea curenilor de difuzie.Echilibrul de cureni se stric i prin diod circul un curent determinat n principal dedifuzia purttorilor majoritari. Datorit numrului mare al acestora, curentul are valorisemnificative aceasta nsemnnd c dioda conduce.

Polarizarea inversPolarizarea invers const n alimentarea cu tensiune a jonciunii pn astfel nct

semiconductorulp s fie la un potenial mai negativ dect n (fig.2-20).Aplicarea tensiunii de polarizare duce la creterea cmpului electric intern ceea

ce conduce la anularea echilibrului curenilor de difuzie i de cmp. Curentul electric

prin jonciune este numai curentul datorat purttorilor minoritari, avnd deci o valoarefoarte sczut. Acest curent poart denumirea de curent invers i este direct influienatde procesul de formare a perechilor electron gol, adic de temperatur.

n mod normal, curentul invers este att de mic nct poate fi neglijat. Dar dactensiunea de polarizare invers aplicat din exterior crete pn la o valoare numittensiune de strpungere curentul invers crete substanial.

2. Strapungerea jonctiunii p-n. Caracteristica tensiune-curenta a jonctiunii p-n.

Strpungerea jonciunii pn

Strpungerea jonciunii pn poate fi explicat pe baza a trei mecanisme principale:

- strpungerea termic

- strpungere de tip Zener sau prin efect de tunelare

- strpungere prin avalan

1.Strpungerea termic are loc dac tensiunea invers este suficient de mare

atunci curentul invers poate provoca nclzirea semiconductorului, ceea ce determin

creterea curentului invers i deci creterea puterii disipate.

Se genereaz astfel un proces cumulativ care duce n final la strpungerea

jonciunii. Strpungerea jonciunii cu Ge are loc la tensiuni i temperaturi mai mici

dect a jonciunii cu Si.


4/12

2. Strpungerea Zener sau prin efect de tunelare apare la jonciunile puternic

impurificate. Zona de trecere fiind ngust cmpul electric este foarte puternic.

Forele exercitate asupra sarcinilor electrice sunt suficient de mari pentru a rupe

legtura covalent, rezultnd sarcini libere pentru conducie. Acest fenomen apare

chear i la tensiuni inverse de valoare sczut.

3. Strpungerea n avalan apare la jonciunile slab impurificate cu zon larg de

trecere. Odat cu creterea tensiunii inverse sarcinile primesc energie suficient de mare

prin creterea vitezei lor, astfel nct ciocnirea cu un electron de valen s-l poat disloca

pe acesta din legtura covalent, prin ciocniri repetate aprnd procesul de multiplicare n

avalan.

Caracteristica curent tensiune a jonciunii pn

Dependena curent-tensiune a jonciuniipn este dat de ecuaia:

= 1eII TU

U

i

n cazul polarizrii inverse:i

U

U

TI II1eUUT

I

=

ID (mA)

II(A)

UI(V) U

D(V)

0,7V

tj=25C

Ustr

Fig. 2-22 Caracteristica I-U pentru o

Ii(I

0)

Zona

conduc

Zona de

blocare

invers

Zona de

blocare

direct

Zona de

strpung


5/12

n cazul polarizrii directe, dac TD

U

U

iDTD eIIUU >>

n cazul n care temperatura se modific, se modific att tensiunea pe diod ct icurentul invers.

Se definete coeficientul de temperatur:

C/mV2dT

dUK

0DU =

Variaia curentului invers prin jonciune este dat de relaia:

T

C25t

C25iitj

0j

0 2II

=unde

=

SilaC5,6

GelaC10T

0

0

Curentul invers prin jonciune este de ordinul nA10nIi = pentru Si i

A10nIi = pentru Ge.

3. Liniarizari posibile ale jonctiunii p-n. Jonctiunea p-n in

regim dinamic.Reprezentarea diodei prin legea sa logarithmic este destul de complex pentru

utilizarea obinuit. De aceea s-au conceput mai multe scheme echivalente simplificate:

a) Jonciunea ideal.

Modelul ideal al jonciuniipn este un simplu ntreruptor.

b) Modelul practic al jonnciuniipn

Este cel mai frecvent folosit. Acest model adaug potenialul de barier la

caracteristica ideal.

La polarizare direct, jonciunea se comport ca un ntreruptor nchis, n serie cu o

surs de tensiune de mic valoare (considerat, la siliciu, de 0,7V), egal cu potenialul de

barier i orientat cu extremitatea pozitiv ctre anod


6/12

La polarizare invers, jonciunea pn se comport ca un ntreruptor deschis, similar

modelului ideal.

c) Modelul complex al jonciuniipn

Modelul complex al jonciunii pn cuprinde potenialul de barier, rezistena

dinamic n conducie direct dr de valoare mic i rezistena intern 'rr la

polarizare invers, de valoare mare.

Se numete rezisten dinamic a diodei cotangenta unghiului pe care l formeaz

tangenta la curb cu axa UD.

Jonciunea pn n regim dinamic

Se presupune c schema conine o surs de tensiune continu i o surs de

tensiune alternativ (fig. 2-29 a). Curentul este format dintr-un curent continu peste care

se suprapune un curent variabil.

n regim dinamic schema echivalent este dat n fig. 2-29 b n care: db CCC += . ncaz de polarizare invers apare rezistena ri. n acest caz se poate neglija dC i ir ,

jonciunea fiind echivalent doar de bC .

4. Jonctiunea p-n in regim de comutatie.

Prin comutare se nelege trecerea brusc a jonciunii din regiunea de conducie n

regiunea de blocare sau invers.

Comutarea invers a jonciunii este caracterizat de

timpul de stocare i timpul de cdere. ntrzierea la

comutare este influienat n special de timpul de stocare

care trebuie redus ct mai mult. Micorarea timpului de

stocare se poate obine utiliznd jonciuni de dimensiuni

reduse.

+

-

(Ui

)Ud

A(p)

C(n)

IR

Fig. 2-30


7/12

5. Dioda stabilizatoare (Zener)

Dioda Zener este un dispozitiv cu jonciune pn de siliciu, deosebindu-se de diodeleredresoare prin faptul c este conceput astfel nct s funcioneze n regiunea de

polarizare invers n care intensitatea cmpului electric n zona jonciunii este de

)m

V(87 1010 .

Tensiunea de strpungere a diodei Zener se stabilete prin reglarea foarte atent

a nivelului de dopare, n procesul de fabricaie.

Funcionarea diodelor stabilizatoare se bazeaz n principal pe dou efecte:

1) Dac intensitatea cmpului electric este de ordinul )m

V(810 , n cazul unor regiuni

de trecere nguste apare efectul Zener de emisie prin cmp.Acesta se caracterizeaz prin

faptul c electronii de valen sub influena cmpului electric sunt smuli producnd perechi

electron -gol care contribuie la procesul de conducie. Efectul Zener se manifest pn la

5-6 V.

2) Dac intensitatea cmpului electric este de ordinul a )m

V(710 , dac regiunea de

trecere este mai lat i mai slab dopat, la tensiuni mai mari de 6-7 V apare procesul de

ciocnire i rupere din reea a e de valen i prin ciocniri repetate apare procesul de

multiplicare prin avalan.

6. Dioda Shonki. Dioda Varicap.

Dioda Schottky (denumit dup fizicianul german Walter Schottky) - este o diod

format dintr-o jonciune metal-semiconductor. Structura intern a diodei Schottky este

prezentat n figura 3-31.

Simbolul

diodei Schottky:


8/12

Dioda Schottky se bazeaz pe un contact metal-semiconductor redresor, metalul

reprezentnd anodul iar semiconductorul catodul. Capacitatea acestei jonciuni este foartemic, ceea ce nseamn c dioda poate lucra la frecvene nalte. Un alt avantaj al jonciunii

metal-semiconductor fa de jonciunea semiconductor-semiconductor folosit la diodele

convenionale este cderea mic de tensiune, numai 0,3 V fa de 0,6 V ct este n cazul

unei diode din siliciu. Diodele Schottky i datoreaz proprietile faptului c

purttorii minoritari i recombinarea purttorilor sunt neglijabile, conducia fiind asigurat

exclusiv de purttorii majoritari: electroni n cazul semiconductorului de tip n i goluri pentru

p.

Datorit acestor proprieti dioda Schottky prezint timpi de comutaie extrem deredui, de ordinul a 1ns. De asemenea zgomotul este mai mic dect la diodele de nalt

frecven. Diodele Schottky de mai mare putere se utilizeaz n circuite de comutaie,

putnd lucra la frecvene de pn la 1 MHz. O aplicaie tipic pentru diodele Schottky de

mic putere sunt circuitele de detecie i mixare de radiofrecven, n care aceste diode

funcioneaz pn la 5 GHz.

Dezavantajele principale ale diodei Schottky sunt tensiunea invers maxim

redus i rezistena serie mare. De asemenea, curentul invers relativ mare poate

reprezenta o problem n unele aplicaii.3.3 Diode Varicap (Varactoare)

Simbolul diodei varicap:

Sunt cunoscute ca diode cu capacitate variabil deoarece capacitatea jonciunii lor

variaz n funcie de tensiunea de polarizare invers. Ele sunt concepute special pentru

a face uz, n funcionare de proprietatea aceasta. [2]

Se realizeaz constructiv printr-o jonciune p-n ngust la care prin polarizare

invers capacitatea de barier (>>Cd) depinde de tensiunea de polarizare invers dup

legea:


9/12

n

bUU

BC

=

0

unde: n are valori diferite n funcie de profilul de impurificare al jonciunii (Ex. n=2

pentru jonciuni pn abrupte i n=3 pentru jonciuni pn liniar gradate).

B este o constant ce include i pe Cbo. 6520

0=

C

Cb

Diodele varicap cu capacitate de ordinul pFsau zecilor depFse construiesc mai

ales din siliciu pentru a avea o rezisten intern ct mai mare la polarizare invers.

Aplicaii:

Diodele varicap se utilizeaz n special n circuitele de acord. Spre exemplu,circuitele de acord electronic din receptoarele TV i alte aparate de recepie de uzcurent conin diode varicap.

7. Stabilizatorul parametric utilizand dioda Zener.

Stabilizatorul parametric utiliznd dioda Zener este utilizat pentru stabilizareatensiunilor continue.

Rolul diodei Zener este de a prelua variaiile de curent din schem datorate

variaiilor tensiunii Erastfel nct tensiunea pe rezistena de sarcin RS s fie constant.

8. Diode redresoare. Marimi limita. Dimensionarea

radiatoarelor de racire.

Diodele redresoare au aplicaii n domeniul de joas frecven. Se folosesc

pentru redresarea curentului alternativ cu frecvena de ordinul a 100Hz, motiv pentru

care nu trebuie s aib capaciti reduse i timpi de comutaie mici. Se


10/12

caracterizeaz prin : tensiune invers maxim ridicat de ordinul a 1000V, tensiune

direct mic rezultnd putere disipat pe diod redus, curentul n sens direct mare

(>1000A) prin creterea suprafeei.

Pentru dimensionarea radiatorului este necesar cunoaterea puterii disipate medii, este

prezentat modul de calcul al dmedP n cazul unui redresor monofazat, presupunnd dioda

echivalent cu schema din figura 3-6:

rIIUPd

2

DefDmedD0dmed+= ;

unde:

dttiIDmed )(

2

12

0

=

;

( )=

2

0

2

2

1dttiIDef ;

9. Tranzistorul bipolar. Simbol. Functionare. Regimuri de

functionare si caracteristici statice pentru tranzistorulbipolar.

Tranzistoarele bipolare sunt dispozitive cu dou jonciuni p-n. Termenul bipolarindic faptul c, n structura de tranzistor, att golurile, ct i electronii constituiepurttorii de sarcin electric. Dup tipul de purttori cu care sunt dopate cele treizone semiconductoare care le compun, tranzistoarele sunt de dou categoriicomplementare: npn ipnp.

rd i(t)

UD0

diod ideal

Fig 3-6 Modelul

UD


11/12

Ca structur, tranzistorul corespunde cu dou diode montate n opoziie ca n figura4-2. Jonciunile tranzistorului se comport ntr-adevr ca dou diode dintre care, nmod normal, jonciunea emitorului este polarizat direct, iar cea a colectorului estepolarizat invers

Nr.

crt.Regim Polarizarea jonciunilor

1. Normal ( activ )jonciunea BE polarizat direct

jonciunea BC polarizat invers

2.Blocare(tiere

)

Fermjonciunea BE polarizat invers


Simpl

jonciunea BE polarizat slab

direct


3. Saturatjonciunea BE polarizat direct

jonciunea BC polarizat direct

C

B

E

n

n

p

colector

baz

emitor

C

B

E

C

B

E

n

n

p

colector

baz

emitor

C

B

EE

BC

Fig.4-1Structura i simbolul de circuit pentru tranzistoarele de tip npn (a),respectiv pnp (b) i identificarea terminalelor pentru capsul din plastic TO-92 (c)


12/12

10. Fotodioda. Led-ul

3.3 Fotodioda

Este un dispozitiv cu o jonciune pn care la polarizare invers, las s treac un

curent proporional cu iluminarea la care este supus. Fotodioda are o mic fant

transparent care permite luminii s ajung la jonciunea pn. Atunci cnd jonciunea pn a

fotodiodei este expus la lumin, curentul invers crete odat cu creterea intensitii

luminii. Cnd jonciunea nu este iluminat, curentul invers este aproape neglijabil, fiind

numit curent de ntuneric.

Se formeaz perechi electron-gol att

datorit

polarizrii inverse ct i datorit

iluminrii.

iFcurent fotoelectric

iIcurrent invers

LED (Light Emitted Diode).

Sunt jonciuni p-n cu semiconductoare de baz care au banda interzis mare (este

necesar o energie mare pentru ndeprtarea electronilor (e ) din banda de valen). n

cazul polarizrii directe se degaj energie luminoas n infrarou.

Semiconductoare de baz : GaAs, GaP, GaAlAs.- verde i infrarou.

SiO2

Lumin

regiune de P+

i

n+

teorie cuntan

Documents