Joncţiunea PN.

Joncţiunea PN - abstract articolSalut !

Studiul materialelor semiconductoare mi s-a părut mereu ceva total inutil din punct de vedere practic. Această părere mi s-a întărit în timp, observând că reuşeam să-mi dezvolt montajele electronice pe care mi le doream fără să am niciodată nevoie de cunoştinţele despre fizica materialelor semiconductoare, despre joncţiunea PN etc. Totuşi, mi-am dat seama că fără să înţeleg măcar în mare cum funcţionează toate componentele electronice cu care am de a face, este mai greu să înţeleg ca lumea toate modurile în care le pot folosi. Fizica semiconductoarelor este un subiect greu digerabil aşa că m-am hotărât ca prin acest articol să te ajut să o înţelegi mai uşor. Aşadar, astăzi vom vorbi despre:

  • Ce sunt materialele semiconductoare ?
  • Cum funcţionează materialele semiconductoare ?
  • Joncţiunea PN
Ce sunt materialele semiconductoare ?

Sunt materiale care au conductivitatea electrică undeva între cea a metalelor şi cea a materialelor izolatoare. Ce le face însă cu adevărat importante în electronică este faptul că în anumite condiţii îşi pot schimba radical conductivitatea electrică.

Cum funcţionează materialele semiconductoare ?

Pentru a putea înţelege mai uşor cum funcţionează şi cum se fabrică semiconductoarele, fie că ne place sau nu, trebuie să înghiţim întâi puţină chimie.

Aşadar, chimia ne spune că electronii unui atom nu se rotesc în jurul lui aşa oricum, ci în nişte straturi sau orbite care se află la distanţe precise faţă de centrul atomului. Altfel spus, un atom poate fi privit ca o ceapă: centrul acesteia este echivalent cu nucleul atomului, iar foiţele cepei corespund cu straturile în care se plimbă electronii în jurul nucleului. În fiecare din aceste straturi poate încape doar un număr limitat de electroni.

Aşezarea electronilor în straturi are loc la fel cum se aşează spectatorii în sala de spectacol. Dacă este vorba de un spectacol la care vine puţină lume, vor fi pline doar locurile din primele două-trei rânduri, dacă este un spectactol la care vine mai multă lume, se ocupă şi rândurile trei-patru şi tot aşa mai departe. Similar, dacă un atom are puţini electroni, aceştia vor ocupa doar primele straturi, dacă atomul are mai mulţi electroni, se vor ocupa şi câteva din straturile următoare şi aşa mai departe.

La fel ca şi în analogia cu sala de spectacol, în cazul multor elemente chimice, ultimul strat nu se completează 100% cu electroni. În aceste cazuri, electronii de pe ultimul strat pot fi folosiţi de către atom pentru a forma legături chimice cu alţi atomi.

Acum, după această scurtă lecţie de chimie, ştim destule pentru a putea înţelege funcţionarea materialelor semiconductoare.

Materiile prime folosite la fabricarea materialelor semiconductoare sunt cristalele de diamant, germaniu şi mai ales siliciu. Aceste materiale sunt speciale prin faptul că absolut toţi electronii de pe ultimul strat sunt folosiţi la crearea de legături cu atomii vecini. În cazul lor, pe ultimul strat încap maxim 8 electroni.

Acest lucru se observă foarte bine în figura 1 (inspirată dintr-un document mai amplu). Sferele albastre reprezintă electronii de pe ultimul strat (pe cei din straturile inferioare nu i-am mai pomenit pentru că practic nu au nici o influenţă). Atomul de germaniu (simbolizat Ge) din centrul figurii 1 are doar 4 electroni pe ultimul strat şi visează să mai facă rost de încă 4 pentru a-şi ocupa toate cele 8 locuri de pe ultimul strat. Fiind de aceeaşi natură, acelaşi lucru şi-l doresc şi atomii vecini. Cum îşi rezolvă aceştia problema lipsei de electroni ? Simplu, electronii vecini îşi pun la comun câte un electron la fel cum amicii pun bani mână de la mână pentru a-şi cumpăra lucruri pe care nu şi le pot permite singuri, lucruri pe care apoi le folosesc împreună. Altfel spus, dacă doi atomi îşi pun la comun câte un electron, perechea respectivă de electroni va fi folosită simultan de ambii atomi. Astfel, fiecare din cei doi atomi se va simţi ca şi cum ar avea 5 electroni pe ultimul strat. În figura 1 se observă că fiecare atom de Ge îşi împarte toţi cei 4 electroni de pe ultimul strat cu patru atomi învecinaţi, ceea ce îl face să se simtă ca şi cum nu ar avea nici un electron lipsă. În chimie, această înţelegere poartă denumirea de legătură covalentă.

Reţeaua cristalină unui cristal de germaniu

Figura 1. Reţeaua cristalină a unui cristal de germaniu

Această situaţie lasă materialul semiconductor fără electroni liberi. Fără prezenţa electronilor liberi, semiconductoarele nu pot conduce curentul electric şi deci, teoretic, sunt materiale perfect izolatoare. De ce le-am vrea izolatoare ? Pentru a le putea face să devină conductoare doar în modul în care dorim noi, nu haotic aşa cum ar putea-o face diferitele impurităţi. Din acest motiv, puritatea materiilor prime semiconductoare trebuie să fie mai mare de 99,9999%.

Ultima etapă în fabricarea materialelor semiconductoare constă în transformarea lor din izolatori electrici în conductori electrici. Această transformare se obţine prin doparea (amestecarea) semiconductoarelor cu nişte impurităţi speciale, numite impurităţi de tip P sau impurităţi de tip N.

Impurităţile de tip P constau în cantităţi foarte mici de bor (B) sau galiu (Ga), atomi care în mod natural au pe ultimul strat doar 3 electroni (din maximul de 8 care pot încape în acest strat). Acest fapt este reprezentat în figura 2 unde se observă cum atomul de bor (căruia îi lipsesc 5 electroni de pe ultimul strat) pur şi simplu fură 1 electron de la un atom de germaniu vecin pentru a putea stabili 4 legături covalente cu atomii vecini (3 legături cu electronii lui naturali şi una cu electronul furat). La fel de bine se poate întâmpla ca atomul de bor să fie cinstit, să nu fure electroni de nicăieri, să formeze doar 3 legături covalente şi să rămână cu un loc gol pe ultimul strat. În oricare din aceste situaţii ne-am afla, vom avea mereu aceeaşi consecinţă: în semiconductorii dopaţi cu atomi de tip P, mereu vor exista locuri libere pentru alţi electroni (proveniţi de undeva din exteriorul materialului. În literatura tehnică de specialitate, aceste locuri libere se numesc goluri. Deoarece aceste goluri pot primi electroni de undeva din exterior, rezultă că în acest caz semiconductorul poate conduce curentul electric.

Doparea unui cristal de Germaniu cu atomi de Bor

Figura 2. Doparea unui cristal de germaniu (Ge) cu atomi de bor (B).

Nota: Te-ai putea gândi că după ce conectezi semiconductorul la o sursă de alimentare cu energie electrică, toate golurile se vor umple cu electroni luaţi din borna negativă a sursei respective (care este doldora de electroni) şi că, în cele din urmă, semiconductorul redevine izolator. Într-adevăr, golurile vor absorbi electronii făcuţi cadou de sursa respectivă, însă nu-i vor putea înţepeni în legături covalente pentru că toate legăturile covalente posibile sunt deja făcute încă din etapa de fabricaţie a semiconductorului. Asta înseamnă că electronii primiţi cadou de la sursa de alimentare vor putea ocupa golurile, însă pentru că nu-i împiedică nici o legătură covalentă, la nevoie pot părăsi acele goluri pentru a forma un curent electric.

Aşadar, semiconductorul rămâne conductor şi în acest caz.

Materialele semiconductoare dopate cu impurităţi de tip P se numesc materiale semiconductoare de tip P.

Impurităţile de tip N constau în cantităţi foarte mici de fosfor sau arsenic, atomi care în mod natural au pe ultimul strat doar 5 electroni (din maximul de 8 care pot încape în acest strat). Situaţia este reprezentată în figura 3 unde se observă cum funcţionează doparea cristalelor de germaniu cu atomi de arseniu (cărora de pe ultimul strat le lipsesc doar 3 electroni). Cu toate că ar avea nevoie doar de 3 atomi, atomul de arseniu încearcă să se “integreze în societate” şi formează 4 legături covalente cu 4 atomi de germaniu vecini. Astfel atomul de arseniu simte că s-a ales cu 4 electroni, deci cu unul în plus faţă de cât ar avea nevoie pentru a-şi completa ultimul strat. Electronul care este în plus nu este acceptat de nici unul din atomii vecini, pentru că aceştia au format deja toate legăturile covalente posibile. Asta înseamnă că electronul rămas în plus este de fapt un electron liber, care poate ajuta oricând la formarea unui curent electric.

Notă: presupun că în acest caz te-ai putea gândi că după ce conectezi semiconductorul la o sursă de alimentare cu energie electrică, toţi electronii liberi din semiconductor ar putea fi absorbiţi de borna pozitivă a sursei respective (care este mereu flămândă după electroni) şi că, în final, semiconductorul redevine izolator. Într-adevăr, electronii liberi vor fi absorbiţi de borna pozitivă însă fără aceşti electroni o parte din atomii semiconductorului vor deveni ioni pozitivi, care mereu vor fi dornici să primească electroni pentru a redeveni neutri. Altfel spus, absorbind electronii liberi, nu faci decât să creezi nişte goluri de electroni în care se pot instala foarte bine nişte electroni veniţi de undeva din exteriorul semiconductorului. Cum nici în acest caz nu se mai pot forma alte legături covalente, rezultă că electronii care ar ocupa acele goluri ar putea-o lua oricând din loc pentru a forma un curent electric. În concluzie, şi în acest caz semiconductorul rămâne conductor.

Materialele semiconductoare dopate cu impurităţi de tip N se numesc materiale semiconductoare de tip N.

Doparea unui cristal de Germaniu cu atomi de Arseniu

Figura 3. Doparea unui cristal de germaniu (Ge) cu atomi de arseniu (As)

Joncţiunea PN

Din discuţiile de mai sus rezultă că atât semiconductoarele de tip P cât şi cele de tip N, luate separat, sunt materiale conductoare. Când însă sunt puse în contact, electronii liberi din semiconductorul N se năpustesc să ocupe golurile de electroni din semiconductorul P. Zona de contact dintre semiconductorul de tip N şi cel de tip P poartă numele de joncţiunea PN (vezi figura 4). Pe măsură ce electronii liberi din N ocupă golurile din P se întâmplă următoarele lucruri:

  • în semiconductorul P creşte numărul de electroni, fapt pentru care în acesta încep să apară ioni negativi (punctele albastre din figura 4);
  • în semiconductorul N scade numărul de electroni, fapt pentru care în acesta încep să apară ioni pozitivi (punctele roşii din figura 4).

Probabil mai ţii minte de la chimie că ionii negativi, având exces de electroni, tind să respingă electronii liberi de prin apropiere. Asta înseamnă că neutralizarea golurilor din semiconductorul P cu electroni liberi din semiconductorul N, continuă doar până când ionii negativi care apar în semiconductorul P ajung să fie atât de mulţi încât formează o barieră care nu mai permite trecerea electronilor liberi prin joncţiunea PN. Această barieră se numeşte barieră de potenţial sau zonă de golire (depletion zone). Primii electroni liberi şi primele goluri care se “mănâncă” reciproc sunt cele din imediata vecinatate a joncţiunii PN şi de aceea mijlocul barierei de potenţial coincide cu zona de contact a semiconductorului de tip N cu cel de tip P.

Joncţiunea PN

Figura 4. Joncţiunea PN

Ai putea spune, “nu mai înţeleg nimic, electronii liberi vor sau nu să ocupe toate golurile disponibile ?”. Asta m-a bulversat şi pe mine până când am înţeles că este vorba de două fenomene care se petrec în acelaşi timp dar au efecte contrare:

primul fenomen – am spus mai sus că în semiconductorul P, unii atomi din materialul de bază sunt deposedaţi de un electron de către atomul de impuritate. Per total însă, numărul de electroni ai semiconductorului P rămâne constant. În urma electronului “răpit” rămâne un gol care ţipă că vrea umplut înapoi. Drept consecinţă, zonele cu mai puţini electroni din semiconductorul P, atrag prin joncţiunea PN electroni din semiconductorul N;

al doilea fenomen – când un electron liber ajunge din semiconductorul N într-un gol din semiconductorul P, acesta rezolvă problema golului însă în acelaşi timp reduce numărul de electroni din semiconductorul de tip N. Drept consecinţă, semiconductorul N cere înapoi semiconductorului P electronii luaţi în cadrul primului fenomen.

Datorită apariţiei zonei de golire, în mod normal electronii liberi nu mai pot circula prin joncţiunea PN. Trecerea curentului electric prin joncţiunea PN este totuşi posibilă dacă neutralizăm efectul barierei de potenţial aplicând o tensiune electrică de aceeaşi valoare dar de sens contrar. Această tensiune electrică “de neutralizare” poartă denumirea de tensiune de prag. Valoarea tensiunii de prag depinde de materialul de bază din care este construită joncţiunea PN. De exemplu, pentru cele din siliciu este de cca. 0,65V, pentru cele cu germaniu este în jur de 0,15V şi aşa mai departe

Cea mai importantă proprietate pe care o posedă joncţiunea PN este faptul că nu conduce curentul electric decât într-un singur sens. În continuare vom vorbi puţin despre ce se întâmplă în joncţiunea PN atunci când o conectăm o sursă de tensiune electrică, în fiecare din cele două sensuri posibile.

Joncţiunea PN polarizată în sens direct. În acest mod, electronilor din materialul N li se adaugă electroni trimişi de borna – (minus) a sursei, iar numărul de goluri din materialul P este crescut de electronii absorbiţi de borna + (plus). În acest mod, practic se măreşte numărul de electroni liberi din materialul N şi numărul de goluri din materialul P. Din acest motiv, în sens direct, joncţiunea PN conduce curentul electric (bineînţeles, dacă la bornele ei aplicăm o tensiune electrică cel puţin egală cu tensiunea de prag). Fenomenul este schiţat în figura 5 unde se observă că bariera de potenţial are dimensiuni mai reduse la polarizarea în sens direct faţă de cazul din figura 4 în care joncţiunea PN nu este conectată nicăieri.

Joncţiunea PN polarizată în sens direct

Figura 5. Joncţiunea PN polarizată în sens direct

Joncţiunea PN polarizată în sens invers. În acest caz, toţi electronii liberi din materialul N sunt înghiţiţi de borna + (plus) iar toate golurile din materialul P sunt completate de electronii veniţi de la borna – (minus). În această situaţie, semiconductorul de tip N devine izolator pentru că fără electroni liberi nu mai are cine conduce curentul electric. În acelaşi mod şi materialul P devine izolator pentru că nemaiavând locuri libere, nu mai poate accepta electroni de nicăieri.

În altă ordine de idei:

  • în sensul direct, tensiunea aplicată pe joncţiunea PN reduce grosimea barierei de potenţial, putând-o chiar anula dacă are o valoare mai mare decât tensiunea de prag;
  • în sensul indirect, tensiunea aplicată pe joncţiunea PN măreşte grosirea barierei de potenţial.

Fenomenul este schiţat în figura 6 unde se observă că bariera de potenţial are dimensiuni mult mai mari la polarizarea în sens invers faţă de cazul din figura 4 în care joncţiunea PN nu este conectată nicăieri.

Joncţiunea PN polarizată în sens invers

Figura 6. Joncţiunea PN polarizată în sens invers

După cum vezi, joncţiunea PN are o funcţionare destul de simplă (DACĂ stăpâneşti bine destul de multe noţiuni de chimie şi fizică moleculară). Sunt multe moduri de a explica aceste lucruri, însă eu sper că am reuşit să le aleg doar pe cele care sunt pe înţelesul tau.

În practică, joncţiunile PN se regăsesc în structura diodelor, tranzistoarelor şi tiristoarelor. Însă despre acestea vom vorbi în articolele viitoare.

Dacă ţi-a plăcut acest articol, distribuie-l mai departe în grupul tău de prieteni !

Cu bine,

Ciprian

25 thoughts on “Joncţiunea PN.

  1. Salut. Am si eu o neclaritate la jonctiunea in sens invers , atomul care este in N si ii pleaca electronul in plus va deveni ion pozitiv iar atomul nu va vrea sa revina din nou neutru luand un electron de la portiunea P ?

      • La Joncţiunea PN polarizată în sens invers, ma refer nu ar trebui ca portiunea N sa ceara electroni de la portiunea P dupa ce iau plecat electronii in plus ? adica atomii din N sa vrea sa redevina din nou neutri cerand electroni de la portiunea N si astfel curentul electric sa poata sa treaca prin el

        • Aceeasi intrebare o am si eu. Banuiesc ca are legatura cu bariera de potential care se mareste la polarizarea in sens invers.

  2. Salut, explicatiile tale sunt foarte bune si explicite, ce bine era daca te aveam profesor la liceu, chiar si la facultate.
    Tine-o tot asa si sa traiesti o mie de ani sa ne impartasesti toate cunostintele tale. Numai bine

  3. bestiala pagina, multumesc, si sper ca ramine pentru posteritate – pe cind fac pruncii mei chimie si fizica

  4. Mulțumesc ! Felul în care ai explicat m-a ajutat sa înțeleg modul de funcționare , ceea ce nu am înțeles prea bine de pe alte site-uri.
    Îți urez spor în tot ce vei face !

  5. Scuze daca pun o intrebare aiurea, sunt obosita si e posibil sa nu inteleg foarte bine. Deci, ai spus ca Bor-ul are 5 electroni lipsa pe ultimul strat. Bun, pana aici toate bune. Apoi ca el “pur şi simplu fură 1 electron de la un atom de germaniu vecin pentru a putea stabili 4 legături covalente cu atomii vecini (3 legături cu electronii lui şi una cu electronul furat de la vecinu’ germaniu). La fel de bine se poate întâmpla ca atomul de bor să fie cinstit, să nu fure electroni de nicăieri, să formeze doar 3 legături covalente şi să rămână cu un loc gol pe ultimul strat. ” 3 legaturi covalente, + un loc gol, deci 4 electroni pe ultimul strat, sau? Asta e dilema mea.

    Toate cele bune.
    P.s: Multumesc pentru toata munca depusa, ma ajuta foarte mult.

        • “bor (căruia îi lipsesc 5 electroni de pe ultimul strat)”. Pai eu am inteles ca pe ultimul strat sunt 8 electroni deci daca bor ii lipsesc 5 => 8-5=3. Este corect?

          • Salut.

            Am modificat textul astfel incat sa se inteleaga mai bine ca pe ultimul strat al atomilor acestor materiale incap maxim 8 electroni. In mod natural acestea au mai putin de 8 electroni pe ultimul strat dar tot natural, tind sa faca tot posibilul ca sa-si umple complet ultimul strat. Iar ca sa faca rost de electronii doriti, realizeaza “aliante” cu atomii vecini, asa cum am prezentat mai sus.

            • Am inteles ca bor face aliante cu siliciul sau germaniul pentru a-si completa nr de electroni, eu ma refeream cati electroni are borul pe ultimul strat fara alianta facuta cu ceilalti atomi.

              • Ups, greseala mea acum am recitit comentariul Loredanei si avea dreptate, cred ca m-am grabit si am crezut ca a zis ca borul de fapt are 5 electroni, am crezut ca a l-a confundat cu fosforul. O seara buna :D!

    • Buna, o intrebare foarte naiva: Nu raman 2 goluri in atomul de Bor daca acesta realizeaza 3 legaturi covalente (3*2 = 6 electroni) cu atomii vecini?

      • Atomul de Bor are pe ultimul strat loc cu 1 electron mai putin decat au atomii vecini. De aici rezulta ca in atomul de Bor ramane un singur gol, nu doua.

  6. sall poti sa-mi spui te rog daca pot sa montez 2 diode de putere mare intre un generator electric si tensiunea de la stalp care intra in casa , in momentul in care cade curentul , pornesc generatorul sa am curent in casa, dar in momentul cand vine iar curentul de la stalp, sa nu -mi bage cuntul in generator sa mil parleasca, si voiam sa montez 2 diode sau cate e nevoie intre generator si tabloul unde o sa ma leg la casa, sper ca m-am facut inteles, stima astept raspuns

    • Nu ! Iti recomand sa folosesti un releu electromagnetic alimentat de la “tensiunea de pe stalp” si cu iesirile conectate in asa fel incat:

      – atunci cand ai tensiune pe stalp, acesta sa te conecteze la “tensiunea de pe stalp”;
      – atunci cand nu ai tensiune pe stalp. sa te conecteze la generator.

Leave a Comment