Dubbi sul funzionamento del diodo a giunzione p-n

[Mariap]

Sono una studentessa di ingegneria e mi sono venuti dei dubbi mentre studiavo il funzionamento del diodo a giunzione pn.

1.quando polarizzo direttamente applicando un generatore , la barriera si riduce e questo origina una corrente che attraversa la giunzione. durante la spiegazione il mio professore ha parlato di deriva di elettroni da n verso p e di lacune di p verso n mentre leggendo il libro parla di diffusione. bisogna considerare che ci sia sia una corrente di diffusione che di deriva?
2. nel caso di polarizzazione inversa, in particolare in relazione all'effetto Zener perché l'elevato drogaggio determina uno spessore molto piccolo della regione si svuotamento?
3. un'altra cosa che non mi è chiara è circa il moto delle cariche. se la regione di svuotamento è priva di portatori liberi e le regioni fuori sono neutre dove avvengono il moto di diffusione e di deriva e soprattuto quali cariche si muovono?

chiedo scusa se le domande possano risultare banali.

Ringrazio anticipatamente chi riuscirà a chiarire i miei dubbi

[GioArca67]

Più o meno serve scrivere un libro per rispondere a tutto...

Iniziamo con la 2)
Il drogaggio influenza in modo rilevante le ampiezze delle regioni di svuotamento.
Segui quanto riportato qui:
https://it.m.wikipedia.org/wiki/Regione_di_carica_spaziale#:~:text=Nella%20fisica%20dei%20semiconduttori%2C%20la,interno%20di%20un%20semiconduttore%20drogato.
Vedrai che mette in relazione con semplici passaggi la larghezza della zona di svuotamento con la tensione applicata (direttamente proporzionale) e la densità di drogaggio (inversamente proporzionale).... quindi a parità di tensione più aumenta il drogaggio più è piccola la zona di svuotamento.

Per le altre domande cerca di dare una spiegazione di quel che succede.

[EnricoMigliore]

Ciao,

Sono una studentessa di ingegneria e mi sono venuti dei dubbi mentre studiavo il funzionamento del diodo a giunzione pn.

1.quando polarizzo direttamente applicando un generatore , la barriera si riduce e questo origina una corrente che attraversa la giunzione. durante la spiegazione il mio professore ha parlato di deriva di elettroni da n verso p e di lacune di p verso n mentre leggendo il libro parla di diffusione. bisogna considerare che ci sia sia una corrente di diffusione che di deriva?
2. nel caso di polarizzazione inversa, in particolare in relazione all'effetto Zener perché l'elevato drogaggio determina uno spessore molto piccolo della regione si svuotamento?
3. un'altra cosa che non mi è chiara è circa il moto delle cariche. se la regione di svuotamento è priva di portatori liberi e le regioni fuori sono neutre dove avvengono il moto di diffusione e di deriva e soprattuto quali cariche si muovono?

chiedo scusa se le domande possano risultare banali.

Ringrazio anticipatamente chi riuscirà a chiarire i miei dubbi

Il vettore densita' di corrente J(x,y,z) nei diodi soddisfa le equazioni Drift-Diffusion (Wikipedia).

In ogni sezione vale sempre questa somma vettoriale J(x,y,z) = Jdrift(x,y,z) + Jdiff(x,y,z)

Su strutture come i diodi J, Jdrift, Jdiff diventano funzione della sola variabile x perche' si suppone che le J siano costanti in modulo, direzione e verso lungo y e z.

In queste ipotesi il prodotto di J(x) per S e' la corrente I(x)che fluisce nella sezione di superficie S.


Il tempo t non compare in queste equazioni perche' stiamo lavorando a "transitorio esaurito" cioe' quando hai acceso l'alimentatore e hai aspettato che V e I si siano portate al punto di lavoro statico del circuito.

Le equazioni Drift-Diffusion in generale contengono il tempo pero' e' piu' facile capire cosa succede nei diodi ipotizzando di lavorare in regime statico.





Nella zona svuotata e' ben verificata l'ipotesi Jdiff(x,y,z) = 0 e quindi hai:

J = Jdrift

Gli elettroni entrano in zona svuotata, ricevono energia dal campo elettico E applicato dal generatore di tensione esterno e vengono sparati ad altissima velocita' verso la zona p.




Nelle 2 zone adiacenti alla zona svuotata, cioe zone n e p, e' ben verificata l'ipotesi Jdrift(x,y,z) = 0 e quindi hai:

J = Jdiff

In queste 2 zone il campo elettrico e' molto basso, cioe' c'e' poca caduta di tensione, perche' sono 2 zone a bassissima resistenza a causa delle elevate concentrazioni di elettroni e lacune libere di muoversi e di ricombinarsi.



Guarda la foto allegata e osserva la corrente J, pensata come somma di contributi, e' costante in ogni ascissa x.



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In tutte queste equazioni J = Jn + Jp ovviamente

[EnricoMigliore]

Ciao,

aggiungo questa considerazione che spiega il grafico del mio post precedente:


Questa e' l'espressione generale di J(x) secondo le equazioni Drift-Diffusion:

J(x) = Jn-drift(x) + Jn-diff(x) + Jp-drift(x) + Jp-diff(x)

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Zona p:

La corrente di drift e' nulla, cioe' Jn-drift(x) = Jp-drift(x) = 0 e quindi

J(x) = Jn-diff(x) + Jp-diff(x)


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Zona n:

La corrente di drift e' nulla, cioe' Jn-drift(x) = Jp-drift(x) = 0 e quindi:

J(x) = Jn-diff(x) + Jp-diff(x)


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Zona di svuotamento:

La corrente di diffusione e' nulla, cioe' Jp-diff(x) = Jp-diff(x) = 0 e quindi:

J(x) = Jn-drift(x) + Jp-drift(x)


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La corrente di diffusione e' dovuta alla variazione spaziale in x della concentrazione di p ed n.

Immagina un mercato affollato dove c'e' una zona con tantissime persone adiacente ad una zona con poche persone. In modo naturale le persone nella zona affollata abbasseranno la concentrazione locale spostandosi gradualmente nella zona con poche persone.

Nella zona svuotata non ci sono cariche mobili e quindi Jn-diff = Jp-diff = 0

Ciao