Giunzione pn

Nella fisica dei semiconduttori , una giunzione pn designa una zona del cristallo in cui il drogaggio varia bruscamente, passando da un drogaggio p a un drogaggio n . Quando la regione drogata p viene portata in contatto con la regione n , gli elettroni e le lacune si diffondono spontaneamente su entrambi i lati della giunzione, creando così una zona di svuotamento , o zona di carica spaziale (ZCE), dove la concentrazione di portatori liberi è quasi zero. Sebbene un semiconduttore drogato sia un buon conduttore, la giunzione difficilmente lascia fluire la corrente. L'ampiezza della zona di esaurimento varia con la tensione applicata a entrambi i lati della giunzione. Più piccola è quest'area, minore è la resistenza della giunzione. La caratteristica corrente-tensione della giunzione è fortemente non lineare: è quella di un diodo . $I (V)$

La fisica delle giunzioni pn ha grandi usi pratici nella creazione di dispositivi a semiconduttore. L'attuale diodo raddrizzatore e la maggior parte degli altri tipi di diodi contengono quindi una giunzione pn. Le celle fotovoltaiche sono costituite da una giunzione pn di ampia area in cui le coppie elettrone-lacuna generate dalla luce sono separate dal campo elettrico della giunzione. Infine, un tipo di transistor , il transistor bipolare , viene realizzato inserendo due giunzioni pn in senso inverso: transistor pnp o npn .

Produzione

Doping

Il profilo doping è la variabile principale su cui possiamo giocare per creare diversi incroci. Questo drogaggio cambia tipo su entrambi i lati della giunzione, passando da p- tipo di drogaggio di n- tipo di drogaggio . In pratica, è difficile abbassare bruscamente la densità dei droganti (es. Donatori) da un valore costante a 0. $N_D$

Area di carica spaziale

La zona di carica spaziale può essere definita come la zona della giunzione in cui si è verificata una ricombinazione di una coppia elettrone-lacuna. Di conseguenza, sono rimasti solo i costi fissi. È anche chiamata zona di esaurimento .

Approccio teorico

In base alle leggi di Maxwell e dove e caratterizzano il materiale utilizzato (qui il semiconduttore drogato). Lo deduciamo e con le costanti di integrazione C e D. ${\ displaystyle {\ text {div}} (E) = {\ frac {\ rho} {\ epsilon}}}$ ${\ displaystyle E = - {\ text {grad}} (V)}$ $\ rho$ $\ epsilon$ ${\ displaystyle E_ {i} (x) = {\ frac {\ rho _ {i}} {\ epsilon _ {i}}} (x-x_ {0i}) + C}$ ${\ displaystyle V_ {i} (x) = - {\ frac {\ rho} {\ epsilon}} \ left ({\ frac {x ^ {2}} {2}} - x_ {0i} \ cdot x \ destra) -C \ cdot x + D}$

${\ displaystyle \ rho = q \ cdot Na}$ o ${\ displaystyle \ rho = q \ cdot Nd}$
$N / A}$ rappresenta il numero di accettori
${\ displaystyle N_ {d}}$ il numero di donatori
${\ displaystyle q = 1,6 \ times 10 ^ {- 19} \ {\ text {C}}}$ ( carica elettrica elementare )

O il blocco P della giunzione è collegato a un filo di potenziale e il blocco N allo stesso modo a un filo di potenziale . L'interfaccia tra il filo e il blocco semiconduttore drogato verrà trascurata a causa di un'inutile aggiunta di complessità alla comprensione del fenomeno. se se se se $V_ {1}$ $V_ {2}$ $E (x) = cste$ $x <x_0$
${\ displaystyle E (x) = - {\ frac {qN_ {a}} {\ epsilon}} (x-x_ {0}) + C}$ $\ sinistra (x \ in \ sinistra [x_0, 0 \ destra] \ destra)$
${\ displaystyle E (x) = {\ frac {qN_ {d}} {\ epsilon}} x + D}$ $\ sinistra (x \ in \ sinistra [0, x_1 \ destra] \ destra)$
$E (x) = cste$ $x> x_1$

$x_ {0}, x_ {1}$ definiscono rispettivamente l'inizio e la fine della zona di carico spaziale centrata su 0.
sui bordi sinistro e destro E (x) è una costante perché non c'è carico ( ) $\ rho = 0$

Poiché i blocchi di semiconduttori sono collegati a fili di buona conduzione, il campo elettrico E (x) è zero . Per continuità del campo elettrico: $\ sinistra] - \ infty, x_0 [U] x_1, + \ infty \ destra [$

$E (x) = 0$ se se se se $x <x_0$
${\ displaystyle E (x) = - {\ frac {q \ cdot N_ {a}} {\ epsilon}} (x-x_ {0})}$ $\ sinistra (x \ in \ sinistra [x_0, 0 \ destra] \ destra)$
${\ displaystyle E (x) = {\ frac {q \ cdot N_ {d}} {\ epsilon}} (x-x_ {1})}$ $\ sinistra (x \ in \ sinistra [0, x_1 \ destra] \ destra)$
$E (x) = 0$ $x> x_1$

${\ displaystyle V (x) = V_ {1}}$ se se se se $x <x_0$
${\ displaystyle V (x) = {\ frac {q \ cdot N_ {a}} {\ epsilon}} \ left ({\ frac {x ^ {2}} {2}} - x_ {0} \ cdot x \ right) + V_ {1} + {\ frac {q \ cdot N_ {a} \ cdot x_ {0} ^ {2}} {2 \ epsilon}}}$ $\ sinistra (x \ in \ sinistra [x_0, 0 \ destra] \ destra)$
${\ displaystyle V (x) = - {\ frac {q \ cdot N_ {d} \ cdot x ^ {2}} {2 \ cdot \ epsilon}} - {\ frac {q \ cdot N_ {a} \ cdot x_ {0}} {\ epsilon}} \ cdot x + V1 - {\ frac {q \ cdot N_ {a} \ cdot x_ {0} ^ {2}} {2 \ cdot \ epsilon}}}$ $\ sinistra (x \ in \ sinistra [0, x_1 \ destra] \ destra)$
$V (x) = V2$ $x> x_1$

Giunzioni pn organiche

Nel 2020, l'equivalente organico di una giunzione pn si ottiene utilizzando due ionoelastomeri invece di due semiconduttori cristallini:

il semiconduttore drogato p è sostituito da un polimero policationico , caricato positivamente dall'inclusione nella sua struttura di gruppi imidazolio e comprendente ioni mobili negativi;
il semiconduttore drogato n è sostituito da un polimero polianionico , caricato negativamente dall'inclusione di gruppi solfonati e comprendente ioni mobili positivi;
i portatori di carica non sono più elettroni ma ioni positivi e negativi.

Il dispositivo è incolore, trasparente, flessibile ed estensibile. L'obiettivo è quello di realizzare finalmente un'intera ionoelettronica sostituendo l'elettronica in situazioni in cui i componenti elettronici, rigidi e fragili, non sono adatti.

Note e riferimenti

Martin Tiano, " Transistor flessibili ", Pour la science , n o 511,Maggio 2020, p. 9.
(in) Dace Gao e Pooi See Lee, " Rectifying ionic current with ionoelastomers " , Science (recensione) , vol. 367, n . 647914 febbraio 2020, p. 735-736 ( DOI 10.1126 / science.aba6270 ).
(in) Hyeong Jun Kim, Baohong Chen Zhigang Suo e Ryan C. Hayward, " Ionoelastomer junctions entre polymer networks of fixed anions and cation " , Science (review) , vol. 367, n . 647914 febbraio 2020, p. 773-776 ( DOI 10.1126 / science.aay8467 ).

Vedi anche

link esterno

(it) Video sull'incrocio pn