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Overview

Fonte: Derek Wilson, Asantha Cooray, PhD, Dipartimento di Fisica e Astronomia, Scuola di Scienze Fisiche, Università della California, Irvine, CA

I semiconduttori sono materiali la cui capacità di condurre una corrente elettrica dipende fortemente dalla loro temperatura e dal livello di impurità. Il tipo più comune di materiale semiconduttore è il silicio cristallino. La maggior parte dei semiconduttori puri non sono conduttori eccezionali; per migliorare la conduttività, un semiconduttore puro viene spesso combinato o "drogato" con un'impurità. Queste impurità sono o donatori, come fosforo e arsenico, che donano elettroni al silicio, o accettori, come boro e alluminio, che rubano elettroni dal silicio. Quando gli accettori prendono elettroni dal silicio, lasciano regioni di carica positiva chiamate "buchi" che si comportano effettivamente come elettroni caricati positivamente.

Un semiconduttore di tipo p si forma quando il doping fa buchi che sono il vettore di carica dominante nel materiale. Un semiconduttore di tipo n si forma quando un semiconduttore è drogato in modo tale che il vettore di carica dominante sia l'elettrone. Come ci si potrebbe aspettare, una giunzione p-n si forma al confine tra il semiconduttore di tipo p e il semiconduttore di tipo n. L'interazione di elettroni e fori alla giunzione dà origine al notevole comportamento osservato in componenti circuitali come diodi e transistor. Questo laboratorio esplorerà le proprietà di una singola giunzione p-n sotto forma di un diodo a semiconduttore.

Principles

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Alla giunzione tra i materiali di tipo p e n, gli elettroni delle impurità del donatore nel semiconduttore di tipo n si combinano con i fori del semiconduttore di tipo p. L'impurità del donatore nel semiconduttore di tipo n perde un elettrone e diventa uno ione positivo. L'impurità accettore nel tipo p accetta questo elettrone, formando uno ione negativo. La "regione di esaurimento" immediatamente circostante la giunzione diventa quindi carente di elettroni e buchi. Nella regione di esaurimento, la regione del materiale di tipo n è ora piena di ioni positivi e il materiale di tipo p è dominato da ioni negativi. Gli ioni positivi respingono gli elettroni lontano dal lato di tipo n della giunzione, mentre gli ioni negativi respingono i fori dal lato di tipo p della giunzione. Il campo elettrico derivante dall'accumulo di ioni alla giunzione p-n impedisce efficacemente agli elettroni o ai fori di fluire attraverso la giunzione.

Tuttavia, se viene applicata una tensione abbastanza forte attraverso la giunzione p-n, la corrente può essere fatta scorrere di nuovo. Se una caduta di tensione positiva viene posizionata attraverso la giunzione (cioè una diminuzione della tensione dal materiale di tipo p al materiale di tipo n), il campo elettrico applicato potrebbe essere in grado di superare la forza degli ioni e può spingere gli elettroni attraverso la giunzione. Si dice che la giunzione sia "orientata in avanti" in questo caso. Al contrario, se una caduta di tensione negativa viene applicata attraverso la giunzione (cioè una diminuzione della tensione dal materiale di tipo n al materiale di tipo p), la tensione applicata aggiunge ulteriore repulsione alla repulsione esistente dagli ioni e la corrente non può fluire. In questa configurazione, la giunzione è "invertita". La corrente può quindi fluire solo in una direzione attraverso una giunzione p-n.

L'equazione del diodo di Shockley descrive la corrente, che scorre attraverso una giunzione p-n in funzione della sua temperatura e della caduta di tensione che la attraversa:

Equation 1(Equazione 1)

dove Isat è la corrente di saturazione tipicamente in Ampere (A), e è la carica elettronica pari a 1.602 10-19 Coulombs (C), V è la caduta di tensione attraverso il diodo in Volt (V), n è un parametro adimensionale che varia da 1 a 2 e tiene conto delle imperfezioni nel diodo (n = 1 per un diodo ideale), è la costante di Boltzmann 1,38 10-23 m2 kg s-2 K-1e T è la temperatura del diodo in Kelvin (K). La corrente di saturazione è la minuscola corrente che riesce ancora a fluire anche quando il diodo è a polarità inversa. Si può vedere che la corrente cresce esponenzialmente per tensioni positive ed è esponenzialmente smorzata da tensioni negative. C'è anche una forte dipendenza dalla temperatura. Le alte temperature riducono il flusso di corrente e le basse temperature causano l'aumento della corrente.

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Procedure

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1. Osservare il comportamento di una giunzione p-n sotto forma di un diodo semiconduttore e misurare la sua curva caratteristica corrente-tensione.

  1. Ottenere un diodo a semiconduttore, un LED (diodo a emissione luminosa), una fonte di alimentazione, due multimetri digitali, un resistore da 1 kΩ, alcuni cavi e connettori a banana e un termometro.
  2. Guarda il diodo a semiconduttore. Ci dovrebbe essere una band su una delle sue estremità. Il lato con la banda è il "catodo". Il lato senza la banda è l'"anodo".
  3. Assicurarsi che l'alimentatore sia spento prima di collegare qualsiasi componente del circuito. Utilizzando i cavi a banana, collegare il terminale positivo della fonte di alimentazione a un lato del resistore e l'altro lato del resistore all'anodo del diodo. Quindi, collegare un multimetro in modalità amperometro al catodo del diodo e collegare l'altro terminale dell'amperometro al terminale negativo della fonte di alimentazione per completare il circuito.
  4. Registra la temperatura nella stanza.
  5. Impostare l'alimentatore per generare una corrente continua a 5 V e quindi accenderlo.
  6. Posizionare il piombo positivo del multimetro sull'anodo del diodo e il piombo negativo sul catodo.
  7. In questa configurazione, il diodo è considerato polarizzato in avanti, quindi dovrebbe esserci una corrente che scorre attraverso il circuito e il multimetro dovrebbe visualizzare una tensione. Registrare la tensione e la corrente visualizzate dai multimetri.
  8. Regolare l'alimentatore per generare una tensione diversa. Registrare le letture di tensione e corrente dai due multimetri, che devono comunque essere collegati attraverso e in serie con il diodo.
  9. Ripetere il passaggio precedente più volte per un intervallo di tensioni. Registra anche la temperatura ambiente durante ogni ripetizione.
  10. Rimuovere il multimetro e spegnere l'alimentatore. Sebbene queste tensioni non siano a un livello pericoloso, è sempre più sicuro spegnere l'alimentazione quando si maneggiano i componenti del circuito.
  11. Mantenere tutte le connessioni e l'impostazione uguali, tranne capovolgere il diodo. Il catodo è ora collegato a dove l'anodo era precedentemente collegato, e viceversa per l'anodo.
  12. Riaccendere l'alimentatore e ricollegare il multimetro attraverso il diodo, con il piombo positivo del multimetro sull'anodo del diodo e il piombo negativo sul catodo.
  13. Registrare la nuova tensione e corrente visualizzate. Potrebbe essere necessario regolare la sensibilità del multimetro. Il diodo è ora a polarità inversa, quindi solo una minuscola corrente sarà autorizzata a fluire attraverso il circuito.
  14. Utilizzare l'equazione del diodo di Shockley per calcolare la corrente che passa attraverso il diodo in funzione della tensione attraverso il diodo e della temperatura del diodo. Supponiamo che isat = 4 10-10 A.
  15. Spegnere l'alimentatore e sostituire il diodo con un LED.
  16. Il LED avrà due pin. Il pin più lungo è l'anodo e il pin più corto è il catodo. Osservare il LED in configurazioni con polarità in avanti e inversa.
  17. Si noti che, poiché la corrente scorre solo quando il LED è polarizzato in avanti, il LED si accenderà solo quando si trova nella configurazione con polarità in avanti e sarà scuro nella configurazione con polarità inversa.

I semiconduttori sono ampiamente utilizzati per costruire elettronica e sono la base dell'industria globale dei semiconduttori.

Un semiconduttore è una sostanza solida che in genere ha una conduttività tra quella di un isolante e quella della maggior parte dei metalli come il rame o l'oro. Il tipo più comune di materiale semiconduttore è il silicio cristallino, che viene reso disponibile sotto forma di wafer sottili e lucidati.

Esistono due tipi principali di semiconduttori, di tipo p e di tipo n. Questi sono fabbricati uno accanto all'altro e in diverse configurazioni per costruire dispositivi a semiconduttore come giunzioni p-n o transistor p-n-p. Ogni configurazione possiede proprietà elettriche uniche utili in diversi dispositivi elettronici.

Questo video presenterà i principi di base dei materiali semiconduttori e le proprietà delle giunzioni p-n sotto forma di diodo. Successivamente, illustrerà un protocollo passo-passo per caratterizzare un diodo, seguito da alcune applicazioni reali dei semiconduttori.

La maggior parte dei semiconduttori puri o intrinseci, come il silicio, non sono conduttori elettrici eccezionali. Questo perché ogni atomo di silicio ha quattro elettroni nella sua valenza o guscio più esterno. Condivide questi elettroni con atomi di silicio vicini per formare legami covalenti, creando una struttura reticolare priva di elettroni liberi. Così un semiconduttore è reso più conduttivo dall'aggiunta di impurità, un processo noto anche come drogamento, per formare semiconduttori drogati o estrinseci.

Queste impurità sono di due tipi: donatori e accettori. I "donatori", come il fosforo e l'arsenico, hanno cinque elettroni nel loro guscio di valenza. Quattro di questi sono usati per formare legami covalenti con atomi di silicio adiacenti. L'elettrone rimanente è quindi libero di muoversi attraverso il reticolo. Questo tipo di semiconduttore drogato, in cui gli elettroni sono i portatori di carica dominanti, è chiamato semiconduttore di tipo n.

Ora, se l'impurità è una molecola accettore, come il boro o l'alluminio, il risultato è diverso. Questi accettori hanno solo tre elettroni nel loro guscio di valenza. Pertanto, quando un atomo accettore forma legami con gli atomi di silicio circostanti, lascia dietro di sé una regione di carica positiva chiamata "buco" che si comporta effettivamente come un elettrone caricato positivamente. Il foro è ora libero di muoversi attraverso il reticolo. Questo tipo di semiconduttore drogato, in cui i fori sono i portatori di carica maggioritari, è chiamato semiconduttore di tipo p.

Ora, quando una regione su un singolo cristallo semiconduttore o un wafer è drogata con atomi donatori e una regione adiacente è drogata con atomi accettori, si forma una giunzione p-n. L'interfaccia tra le regioni p e n è chiamata limite di giunzione.

Al confine di giunzione, gli elettroni in eccesso nella n-regione si diffondono verso la p-regione, e contemporaneamente i buchi in eccesso nella regione p si diffondono verso la n-regione.

Come risultato di questa diffusione, gli atomi donatori nella n-regione diventano ioni positivi immobili, mentre gli atomi accettori nella regione p diventano ioni immobili caricati negativamente. Così, al confine tra le regioni p e n, si forma una "regione di esaurimento" che è carente di elettroni mobili e buchi.

Gli ioni negativi nella regione di deplezione di tipo p respingono gli elettroni che si diffondono dalla regione n alla regione p, mentre gli ioni positivi nella regione di deplezione di tipo n respingono i fori che si diffondono dalla regione p alla regione n.

In altre parole, il campo elettrico derivante dall'accumulo di ioni nella regione di esaurimento blocca efficacemente la corrente dal fluire attraverso la giunzione. Tuttavia, la corrente può essere fatta scorrere di nuovo applicando una tensione attraverso l'intersezione.

Se viene applicata una caduta di tensione positiva, nota anche come "forward-bias", la larghezza della regione di esaurimento si riduce, diminuendo il campo elettrico della regione, a causa del quale elettroni e fori saltano attraverso la giunzione, e quindi la corrente scorre attraverso la configurazione.

Al contrario, se una caduta di tensione negativa viene applicata attraverso la giunzione, nota come "reverse-bias", aumenta la larghezza della regione di esaurimento. Questo a sua volta aumenta l'intensità del campo elettrico della regione e la resistenza al flusso di elettroni e fori attraverso la giunzione.

La corrente scorre quindi solo in una direzione attraverso una giunzione p-n. L'equazione del diodo di Shockley può essere utilizzata per calcolare questa corrente in funzione della caduta di tensione e della temperatura del diodo. Qui, 'e' è la carica elettronica, 'n' è un fattore di idealità che caratterizza le prestazioni di un diodo reale rispetto a un diodo ideale, 'Kb' è la costante di Boltzmann e 'Isat' è la piccola corrente di dispersione che scorre attraverso il dispositivo anche quando è polarizzato al contrario.

Dopo aver completato le basi, esaminiamo ora un protocollo passo-passo per caratterizzare una giunzione p-n. Per prima cosa ottenere i materiali e gli strumenti necessari, vale a dire un diodo a semiconduttore, un diodo o LED a emissione luminosa, una fonte di alimentazione, due multimetri digitali, una resistenza da 1 kilo-ohm, alcuni cavi e connettori a banana e un termometro.

Guarda il diodo a semiconduttore e verifica che ci sia un terminale rosso e un terminale nero. Il terminale nero è chiamato catodo e il terminale rosso è l'anodo.

Quindi, collegare il resistore in serie con l'anodo del diodo. Quindi, utilizzando i cavi a banana, collegare il terminale positivo della fonte di alimentazione all'estremità non collegata del resistore. Quindi collegare il catodo del diodo al terminale positivo di un amperometro e il terminale negativo dell'amperometro al terminale negativo della fonte di alimentazione per completare il circuito per completare il circuito.

Il diodo è ora orientato in avanti. Registrare la temperatura della stanza. Quindi, impostare l'alimentatore per alimentare corrente continua a +5 volt attraverso il circuito.

Poiché il diodo è polarizzato in avanti, dovrebbe esserci una corrente che scorre attraverso il circuito e una caduta di tensione attraverso il diodo.

Quindi, collegare il piombo positivo di un secondo multimetro sull'anodo del diodo e il piombo negativo sul catodo. Assicurarsi che il multimetro sia in modalità voltmetro e misurare la caduta di tensione. Inoltre, nota la corrente come registrata dall'amperometro.

Ora, regola l'alimentatore per generare una tensione diversa e registra la caduta corrispondente attraverso il diodo usando il voltmetro e la corrente attraverso di esso usando l'amperometro.

Inoltre, annotare la temperatura ambiente per ogni lettura e ripetere il protocollo per un intervallo di tensioni a diodi.

Una volta registrate tutte le misurazioni, scollegare il voltmetro e spegnere l'alimentazione. Mantenendo tutto il resto uguale, capovolgere il diodo in modo che le connessioni anodo e catodico siano ora invertite e il diodo sia collegato in modalità di polarizzazione inversa.

Accendere l'alimentatore e ricollegare il voltmetro attraverso il diodo, con il piombo positivo del multimetro collegato all'anodo del diodo e il piombo negativo al catodo.

Registrare la caduta di tensione attraverso il diodo, la temperatura e la corrente che scorre attraverso il diodo per un intervallo di tensioni del diodo. Spegnere l'alimentatore e scollegare il diodo.

Infine, collegare un LED al posto del diodo e osservare il LED in entrambe le configurazioni di polarizzazione avanti e indietro per una gamma di cadute di tensione.

Con il protocollo ora completo, esaminiamo i risultati dell'esperimento di polarizzazione in avanti e inversa utilizzando sia il diodo che il LED. Innanzitutto, calcola la corrente che passa attraverso il diodo per le varie cadute di tensione usando l'equazione del diodo Shockley e il produttore ha fornito il valore Isat. Ad esempio, per una temperatura di 293 kelvin e una tensione del diodo misurata di 555 milli-volt, la corrente attraverso il diodo può essere calcolata in 0,913 milli-ampere.

I risultati tipici per le misurazioni del circuito con il diodo collegato in polarizzazione avanti e indietro sono elencati nella tabella. La corrente calcolata e misurata viene tracciata in funzione della tensione del diodo misurata. Questa è chiamata la "curva caratteristica" del diodo.

Il grafico mostra la dipendenza esponenziale delle correnti misurate e calcolate dalla tensione del diodo. In particolare, si osserva che quando il diodo è polarizzato in avanti, consente alla corrente di fluire attraverso.

Ma quando il diodo è polarizzato inversamente, nessuna corrente scorre attraverso di esso, rendendolo effettivamente una valvola che consente solo il flusso di corrente in una direzione. La minuscola corrente che riesce ancora a fluire, anche quando il diodo è a polarità inversa, è la corrente di saturazione.

I semiconduttori costituiscono la base dell'intera industria elettronica che va dai semplici LED utilizzati nei nostri display televisivi ai complessi super-computer utilizzati per scopi di gestione dei dati scientifici.

I semiconduttori vengono utilizzati non solo per costruire giunzioni p-n o diodi, ma anche transistor, che sono giunzioni n-p-n o p-n-p. Questi transistor sono la base di tutta l'elettronica moderna, in quanto possono essere utilizzati per costruire porte logiche, che sono circuiti in grado di eseguire operazioni logiche booleane di base come AND, OR, NOT e NAND. Queste operazioni logiche possono essere combinate in base alle esigenze per eseguire operazioni più complesse come l'addizione e la moltiplicazione digitale. Può anche essere utilizzato per costruire processori e memoria del computer.

I materiali semiconduttori possono anche essere utilizzati per generare luce per l'applicazione nell'elettronica ottica. Ad esempio, un diodo o LED a emissione luminosa è una giunzione p-n che emette luce quando attivata. Quando viene applicata una tensione adeguata, gli elettroni si ricombinano con i fori all'interno del dispositivo, rilasciando energia sotto forma di luce.

I LED realizzati con semiconduttori sono sorgenti luminose più efficienti dal punto di vista energetico rispetto alla tradizionale lampadina a incandescenza. Pertanto, i LED hanno trovato applicazioni nell'illuminazione ambientale e delle attività, nei display elettronici e nelle tecnologie di comunicazione avanzate.

Hai appena visto l'introduzione di JoVE ai semiconduttori. Ora dovresti capire le basi dei semiconduttori e i principi, il funzionamento e le caratteristiche della giunzione p-n. Grazie per l'attenzione!

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Results

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I risultati tipici per le misurazioni del circuito sono mostrati nella Tabella 1. L'equazione del diodo di Shockley descrive la corrente attraverso un diodo in funzione della temperatura del diodo e della caduta di tensione attraverso di esso. Per una temperatura di 293,0 K, una tensione di 555 mV attraverso il diodo e un fattore di idealità arbitrario (ma rappresentativo) di n = 1,5,

Equation 2
Equation 3
Equation 4

La corrente attraverso il diodo viene calcolata per tutte le tensioni misurate. La curva caratteristica del diodo (corrente in funzione della tensione) è tracciata in Figura 1. La dipendenza esponenziale della corrente dalla tensione è chiaramente visibile. Quando è polarizzato in avanti, il diodo consente alla corrente di fluire. Quando è in polarizzato inversamente, solo la corrente di saturazione microscopica può fluire, rendendo efficacemente il diodo una valvola che consente solo il flusso di corrente in una direzione.

Tabella 1: Risultati.

Tensione misurata (V) Temperatura misurata (K) Corrente misurata

(mA)

Corrente calcolata (mA)
0.555 293.0 0.372 0.913
0.617 293.1 1.813 4.66
0.701 293.1 114.67 42.7
-0.523 293.2 0.0014 -4 * 10-7
-0.620 293.0 0.0011 -4 * 10-7
-0.695 292.9 0.0008 -4 * 10-7

Figure 1
Figura 1: I punti teorici dell'equazione del diodo di Shockley sono in blu. I punti dati misurati sono in rosso. Un fattore di idealità arbitrario di n = 1,5 è stato usato nell'equazione del diodo di Shockley. La discrepanza tra i valori misurati e quelli teorici potrebbe scomparire se fosse noto il vero fattore di idealità del diodo.

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Applications and Summary

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Questo laboratorio ha esplorato le proprietà dei semiconduttori e di una giunzione p-n sotto forma di un diodo a semiconduttore. Un diodo è un componente del circuito composto da una giunzione p-n. È stata misurata la curva caratteristica del diodo e il diodo è stato osservato condurre una corrente elettrica in una sola direzione. Un LED contiene un tipo speciale di giunzione p-n che emette luce oltre a condurre in modo unidirezionale.

I semiconduttori sono ampiamente utilizzati nell'industria elettronica. I diodi a semiconduttore contengono solo una singola giunzione p-n, mentre i transistor sono costituiti da giunzioni n-p-n e p-n-p; cioè, due giunzioni p-n direttamente l'una accanto all'altra. I transistor a semiconduttore sono la base di quasi tutta l'elettronica moderna. Possono essere utilizzati per costruire porte logiche, che sono circuiti in grado di eseguire operazioni logiche booleane di base come AND, OR, NOT e NAND. Queste operazioni logiche possono essere combinate per eseguire operazioni più complesse come l'addizione e la moltiplicazione e possono anche essere utilizzate per costruire processori e memoria del computer. I LED realizzati con semiconduttori sono sorgenti luminose più efficienti dal punto di vista energetico rispetto alle tradizionali lampadine a incandescenza.

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