Funzionamento fisico di un diodo

[ireon]

Allora ho appena finito di studiare tutto il funzionamento fisico del diodo in maniera approfondita, tralasciando tutte le formulazioni matematiche a grandi linee ho capito che il segreto del funzionamento sta nel drogaggio del semiconduttore. Partiamo dal considerare il silicio intrinseco (quindi non drogato). Esso presenta una struttura cristallina a celle tetraedriche, con un atomo in ogni vertice, tenuta insieme dai legami covalenti dei quattro elettroni di valenza di ogni atomo. Ora a temperature sufficientemente basse non succede nulla poiché i legami covalenti rimangono intatti, ma a temperatura ambiente a causa della ionizzazione termica alcuni legami si spezzano ed alcuni elettroni vengono liberati e lasciano dei posti vuoti (lacune). Gli elettroni liberi possono condurre. Nel frattempo la lacuna può essere riempita da un altro elettrone che a sua volta lascerà un posto vuoto (lacuna) che sarà occupato da un altro elettrone e così via. Iterando il procedimento avremmo una lacuna che si muove lungo il cristallo contribuendo quindi alla conduzione totale come carica positiva. Comunque il processo di ricombinazione in un semiconduttore intrinseco porta ad un equilibrio dinamico nel senso che nell'unità di tempo e di volume vengono generate nuove coppie elettrone-lacuna ed altrettante spariscono. Adesso entra in gioco il drogaggio, consideriamo dapprima il drogaggio di tipo n che si ottiene aggiungendo al cristallo di silicio impurezze pentavalenti come il fosforo ad esempio. Ora avendo il fosforo 5 elettroni di valenza, 4 di questi formano legami covalenti con gli atomi di silicio, ma il quinto elettrone rimane a disposizione e può pertanto liberarsi e partecipare al processo di conduzione. Quindi praticamente ogni atomo di fosforo dona un elettrone al cristallo di silicio e nessuna lacuna viene generata da questo processo. E naturalmente l'atomo di fosforo perdendo un elettrone diventa un catione (carica fissa positiva). E le uniche lacune presenti e sono quindi una minoranza rispetto agli elettroni saranno quelle dovute al processo della ionizzazione termica, quindi avremo una maggioranza di elettroni (portatori maggioritari) e una minoranza di lacune (portatori minoritari). Mentre se droghiamo il silicio con un atomo trivalente come ad esempio il boro, che ha 3 elettroni di valenza, quest'ultimi formano legami covalenti con gli atomi del silicio, ma rimane un posto vuoto (lacuna), pertanto si vengono a creare delle disponibilità per gli elettroni del reticolo che possono spostarsi occupando la lacuna e quindi ogni atomo di boro accetta un elettrone. In questo caso avremo che le lacune sono i portatori maggioritari e gli elettroni generati dalla ionizzazione termica i portatori minoritari. L'atomo di boro acquistando un elettrone diviene un anione(carica fissa negativa). A questo punto abbiamo analizzato cosa succede drogando il semiconduttore pertanto adesso poniamo a stretto contatto le due giunzioni, si ottiene quindi una giunzione pn e polarizziamo il diodo. Distinguendo 3 casi (in teoria 4 ma la regione di breakdown il professore ancora non l'ha spiegata).

Giunzione pn in circuito aperto:

In questo caso ritroveremo ai capi di giunzione la tensione di built-in non essendoci tensione esterna applicata. La carica delle lacune è neutralizzata da un ugual numero di cariche fisse negative associate agli atomi accettori, mentre la carica degli elettroni è neutralizzata dalle cariche fisse positive degli atomi donatori. Ora nella regione p abbiamo una maggioranza di lacune dovuta al drogaggio e una minoranza di elettroni generati per ionizzazione. Nella regione n invece abbiamo una maggioranza di elettroni dovuta sempre al drogaggio e una minoranza di lacune per ionizzazione. Avremo due correnti. La corrente di diffusione dovuta al profilo di concentrazione (le lacune sono tante nel lato p e poche nel lato n) porta le lacune a passare nella regione n, dove si ricombinano con gli elettroni (maggioritari) scomparendo, pertanto alcune cariche fisse positive ora non saranno più compensate per "mancanza" di elettroni e stazionano nei pressi della giunzione. Allo stesso modo gli elettroni diffondono attraverso la giunzione verso la regione p si ricombinano con le lacune (maggioritarie) e scompaiono. Pertanto ci saranno delle cariche fisse negative non compensate sempre nei pressi della giunzione. Chiamiamo la regione svuotata di cariche regione di svuotamento. Avremo pertanto una corrente di diffusione che va da destra verso sinistra e allo stesso tempo una corrente di drift dovuta al campo elettrico generato dalle cariche fisse e visto che la corrente totale deve essere nulla (circuito aperto) avremo I(diffusione) = I(deriva).

Giunzione pn in polarizzazione inversa:

Alimentiamo la giunzione pn con una tensione inversa rispetto al catodo e all'anodo, polarizzando inversamente la giunzione avremo uno spostamento delle lacune della regione p verso sinistra e uno spostamento degli elettroni della regione n verso destra. Questi spostamenti provocano rispettivamente l'aumento di cariche negative non compensate e cariche positive non compensate, di conseguenza il campo elettrico aumenta e con esso anche la I(deriva), mentre ovviamente la corrente di diffusione diminuisce. E avremo una corrente inversa I data da I(drift) - I(diffusione) = I.

Giunzione pn in polarizzazione diretta:

Alimentiamo la giunzione pn con tensione diretta rispetto al catodo e all'anodo, polarizzando direttamente la giunzione avremo un incremento di portatori maggioritari ad entrambi i lati della giunzione: lacune al materiale p ed elettroni al materiale n. Questi portatori neutralizzeranno alcune delle cariche fisse non compensate e di conseguenza si avrà una diminuzione della corrente di deriva con restringimento della regione di svuotamento. Pertanto un maggior numero di lacune attraversa la barriera dal lato p verso il lato n ed un maggior numero di elettroni attraversa la barriera dal lato n verso il lato p. Quindi la corrente di diffusione cresce e otterremmo all'equilibrio una corrente diretta I = I(diffusione) - I(deriva).

A grandi linee questo è quello che ho capito concettualmente, poi ovviamente ci sono discorsi che andrebbero approfonditi per una trattazione più rigorosa e ci sono tutte le formulazioni matematiche legate alla tensione di built-in, alla corrente di diffusione, alla corrente di deriva ecc.. Risulta essere corretto quello che ho scritto?

[guzz]

ho dato una letta, ma mi sembra tutto giusto (e pure spiegato bene)

[jordan20]

il campo elettrico aumenta e con esso anche la I(deriva)

No, per essere precisi la corrente di deriva rimane costante perché è indipendente dall'altezza della barriera di potenziale che aumenta a causa della carica immagazzinata ai capi della zona di svuotamento. Ma in realtà la I(deriva) è molto piccola e approssimativamente I = I(diffusione).
A grandi-andi-andi-andi linee il resto mi pare corretto.

[ireon]

Ok mi interessava capire se avevo le idee chiare a livello concettuale, non potevo fare una trattazione rigorosa, anche perché avrei dovuto scrivere tutte le formulazioni matematiche e i vari grafici