Giunzione p-n: differenze tra le versioni
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[[File:Giunzione p-n.png|thumb|upright=1.8|Schema di una giunzione p-n, insieme all'andamento della [[carica elettrica]], del [[campo elettrico]], e del [[potenziale elettrico]] lungo la giunzione.]]
Con il termine '''giunzione p-n''' si indica l'[[interfaccia (chimica)|interfaccia]] che separa le parti di un [[semiconduttore]] sottoposte a [[drogaggio]] di tipo differente.
La giunzione p-n è composta di due zone: una con un eccesso di [[lacuna (fisica)|lacune]] (strato ''p'') e una con eccedenza di [[elettrone|elettroni]] (strato ''n''). Le eccedenze di elettroni e lacune si ottengono mediante drogaggio, con varie tecniche. Il termine ''giunzione'' fa riferimento alla regione in cui si incontrano i due tipi di drogaggio (P e N). La regione di confine tra i blocchi di tipo P e di tipo N è detta [[Regione di carica spaziale|zona/regione di carica spaziale (o di svuotamento)]]; in questo volume i [[Portatore di carica|portatori]], rispettivamente del lato ''p'' e del lato ''n'', di fronte al forte gradiente dovuto al diverso tipo di drogaggio, [[Diffusione elettrica|diffondono]] nel semiconduttore adiacente (generando una corrente di diffusione), lasciando non compensati gli atomi ionizzati dei droganti, i quali a loro volta genereranno una differenza di potenziale, un campo elettrico e, spostando i portatori, una corrente di trascinamento che si oppone a quella di diffusione; la [[differenza di potenziale]] costante generata dagli ioni di materiale drogante è chiamata [[Regione di carica spaziale#Tensione di built-in|tensione di ''built-in'']]. La larghezza della zona di carica spaziale dipende dai drogaggi e da ciascun lato è inversamente proporzionale al drogaggio del semiconduttore.
Dato che la carica elettrica degli ioni negativi deve compensare perfettamente quella degli ioni positivi si avrà:
<math>N_A \cdot W_p=N_D \cdot W_n</math> dove <math>N_A</math> e <math>N_D</math> sono le concentrazioni degli atomi accettori e donatori, <math>W_p</math> e <math>W_n</math> l'estensione della regione di svuotamento rispettivamente della zona p ed n.
La giunzione p-n è alla base di [[dispositivo a semiconduttore|dispositivi a semiconduttore]] quali il [[diodo a giunzione]], il [[transistor]], il [[LED]] e la [[cella solare]].
==Descrizione==
La giunzione p-n possiede alcune interessanti proprietà che vengono sfruttate nell'elettronica moderna. In particolare, si forma un sottile strato neutro chiamato [[regione di svuotamento]] (''depletion layer'') laddove un drogaggio di tipo P si accosta senza contatto ad un drogaggio di tipo N. I semiconduttori drogati (sia di tipo N che di tipo P) sono conduttori tanto migliori quanto più elevato è il [[drogaggio]] mentre la regione di svuotamento ha le proprietà di un isolante. Le giunzioni p-n sono comunemente usate come [[diodo|diodi]]: dispositivi elettronici che permettono un flusso di [[corrente elettrica|corrente]] in una direzione ma non in quella opposta. Questo risultato può essere ottenuto incrementando o riducendo l'estensione dello strato non conduttivo (la [[regione di carica spaziale|zona svuotata]]) grazie agli effetti della ''polarizzazione inversa'' e della ''polarizzazione diretta'', dove il termine ''polarizzazione'' indica l'applicazione di una tensione elettrica alla giunzione p-n. La tensione esterna infatti ne influenza la dimensione, richiamando un maggiore o minore numero di portatori; a seconda della densità di portatori disponibili, e quindi del tipo di semiconduttore scelto e del tipo di [[drogaggio]] con il quale è stato prodotto, sarà possibile variare con un ulteriore grado di libertà l'estensione della [[regione di svuotamento]].
==Polarizzazione diretta e inversa==
La giunzione p-n può essere utilizzata come un [[diodo]] grazie alle sue proprietà di conduzione in regime di polarizzazione diretta e polarizzazione inversa. Un diodo a giunzione p-n permette alle cariche elettriche di scorrere in una direzione, ma non in quella opposta. Quando la giunzione p-n è polarizzata direttamente, la differenza di potenziale sulla giunzione diminuisce e questo fa sì che possa scorrere una corrente apprezzabile verso il catodo. Quando la giunzione p-n è polarizzata inversamente, invece, la barriera di potenziale alla giunzione (e quindi anche la resistenza) aumenta e la corrente inversa che può scorrere verso l'anodo è bassissima.
===Polarizzazione diretta===
Si ha polarizzazione diretta quando si collega il terminale ''positivo'' alla regione di ''tipo P'' e il terminale ''negativo'' alla regione di ''tipo N''.
In questa configurazione, le lacune nella regione di tipo P e gli [[elettrone|elettroni]] nella regione di tipo N sono spinti verso la giunzione. Questo riduce l'ampiezza della zona svuotata e la tensione positiva applicata al dispositivo si concentra quasi completamente ai capi della zona di carica spaziale abbassando la barriera di [[potenziale elettrico|potenziale]]. In tale situazione si crea un apprezzabile sbilanciamento tra i flussi dei maggioritari e minoritari che attraversano in verso opposto la giunzione; la risultante è un flusso di cariche, e quindi una corrente, che varia esponenzialmente con la tensione applicata. Quando la tensione applicata eguaglia quella generata dalle cariche fisse (atomi di drogante ionizzati), i portatori sono liberi di muoversi e la caratteristica tensione-corrente è lineare, cioè il materiale si comporta da conduttore ohmico.
===Polarizzazione inversa===
La polarizzazione inversa si ottiene collegando il terminale ''negativo'' alla regione di ''tipo P'' e il terminale ''positivo'' alla regione di ''tipo N''.
Poiché la regione di tipo P è connessa al terminale negativo dell'alimentazione, le [[Lacuna (fisica)|lacune]] nella regione di tipo P vengono spinte lontano dalla giunzione, facendo crescere l'ampiezza della zona svuotata. Lo stesso succede nella zona di tipo N, dove gli elettroni vengono spinti lontano dalla giunzione a causa dell'azione del terminale positivo dell'alimentazione.
Questo aumenta l'ampiezza della zona svuotata e la tensione negativa applicata al dispositivo si concentra quasi completamente ai capi della zona di carica spaziale alzando la barriera di [[potenziale elettrico|potenziale]]. Anche qui si crea quindi uno sbilanciamento tra i flussi dei maggioritari e minoritari che attraversano in verso opposto la giunzione e anche qui la risultante è un flusso di cariche, e quindi una corrente, che varia esponenzialmente con la tensione applicata. Tuttavia il risultato è molto diverso perché l'esponenziale è negativo e quindi la corrente inversa risultante è molto piccola.
===Caratteristica ideale della giunzione pn===
Dal comportamento in polarizzazione diretta e inversa deriva la [[Equazione del diodo ideale di Shockley|caratteristica ideale della giunzione p-n]] ([[diodo]]), cioè la relazione I-V:
:<math>i_D = I_S \left( {e^{q V_D \over n kT}-1} \right) = I_S \left( {e^{V_D \over n V_T}-1} \right)</math>
==Altre giunzioni==
Anche il contatto tra i terminali in metallo e il materiale semiconduttore crea giunzioni particolari chiamate [[Diodo_Schottky|diodi Schottky]]. In una situazione ideale semplificata un diodo a semiconduttore non funzionerebbe perché sarebbe composto da vari diodi connessi in serie. In pratica, impurità di superficie presenti sulla parte di semiconduttore che tocca i terminali di metallo riducono molto la larghezza di quelle regioni svuotate a un punto tale che le giunzioni metallo/semiconduttore non sono rettificanti (funzionano come diodi sempre accesi indipendentemente dalla tensione applicata).
Di altro genere sono le [[eterogiunzione|eterogiunzioni]], che si ottengono dal contatto tra due semiconduttori di differente natura. Un esempio sono le eterogiunzioni tra silicio e germanio, oppure quelle tra semiconduttori polimerici.
==Voci correlate==
* [[Semiconduttore]]
** [[Regione di carica spaziale]]
** [[Dispositivo a semiconduttore]]
* [[Diodo]]
** [[Diodo varicap]]
** [[Diodo a giunzione]]
** [[LED]]
** [[Fotodiodo]]
* [[Transistor]]
** [[Transistor a effetto di campo]]
***[[MOSFET]]
***[[JFET]]
** [[Transistor a giunzione bipolare]]
*** [[Transistor p-n-p]]
*** [[Transistor n-p-n]]
*** [[Effetto Early]]
** [[CMOS]]
** [[Logica NMOS]]
** [[Logica PMOS]]
** [[Transistor-transistor logic|Logica transistor-transistor]]
== Altri progetti ==
{{interprogetto}}
==Collegamenti esterni==
* {{cita web|url=http://www.dei.unipd.it/wdyn/?IDfile=692&IDsezione=2051|titolo=La giunzione p-n}}
* https://www.youtube.com/watch?v=JBtEckh3L9Q Video sulla giunzione pn (in inglese)
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