Scopul lucrarii este de a trasa caracteristica I-V (directa si inversa) a unei jonctiuni p-n, de a determina tensiunea de strapungere precum si de a familiariza pe studenti cu circuite care contin diode Zener.

– instabilitatea termica,

– efectul tunel (Zener) si

– multiplicarea prin avalansa.

Figura 1. Tipurile de strapungere ale jonctiunii p-n.

Caracteristica I-V pentru cele trei tipuri de strapungeri se vede pe figura 1, unde curbele sunt notate respectiv cu 1, 2, 3. S-a gasit in jonctiunile din Si si Ge mecanismul de strapungere este determinat de:

– efectul tunel cand V_s < 4·D E/q

– strapungerea prin avalansa cand V_s > 6·D E/q

– ambele efecte cand 4·D E/q < V_s < 6·D E/q

Instabilitatea termica. Strapungerea datorita instabilitatii termice apare in semiconductorii cu banda relativ ingusta, cum ar fi Ge. La tensiuni inverse mari temperatura jonctiunii creste datorita degajarii de caldura de catre curentul invers. Cresterea temperaturii duce la cresterea curentului invers datorita generarii termice a purtatorilor intriseci. La randul sau cresterea curentului duce la cresterea temperaturii, s.a.m.d. Curentul invers variaza cu temperatura dupa legea T^3/2 + g e ^{- D E /( kT)}, unde g este o constanta. Caracteristica I-V prezinta o rezistenta diferentiala negativa (curba 1). In acest caz dioda este distrusa daca nu se iau masuri speciale ca de exemplu limitarea curentului prin introducerea unei rezistente de valoare mare in serie cu dioda. Instabilitatea termica prezinta importanta la temperatura camerei in jonctiunile cu curenti mari de saturatie (de exemplu cele din Ge) si devine nesemnificativa in raport cu celelalte mecanisme la temperaturi foarte joase. Datorita regiunii de rezistenta negativa instabilitatea termica nu este de dorit in stabilizatoarele de tensiune si ea trebuie evitata.

Efectul tunel (Zener). La tensiuni inverse mari, cand campul in stratul de baraj atinge valoarea de ~10⁶V/cm in jonctiunile din Ge si Si apare o crestere brusca a curentului datorita procesului de tunelare banda-banda (vezi lucrarea Dioda tunel). Acest efect se numeste efect Zener (dupa numele celui care l-a descoperit) si diodele care lucreaza in regim de strapunge se numesc diode Zener desi un rol important il joaca in asemenea diode si efectul multiplicarii prin avalansa (explicatia initiala a formei caracteristicii I-V in regim de strapungere a fost data pe baza efectului Zener). In scopul de a obtine un camp puternic in stratul de baraj regiunile p si n trebuie sa fie relativ puternic impurificate. Tensiunea de strapungere prin efect tunel descreste cu cresterea temperaturii. Aceasta se intampla deoaece curentul tunel atinge valoarea de strapungere la o tensiune mai mica datorita scaderii largimii benzii interzise cu cresterea temperaturii (Curentul tunel creste cu scaderea D E si scade cu scaderea tensiunii inverse aplicate).

Multiplicarea prin avalansa. Cand purtatorii de sarcina accelerati de campul electric din stratul de baraj capata o energie suficient de mare pentru a rupe electonii din banda de valenta (prin ciocnire) apare procesul de multiplicare in avalansa si cresterea brusca a cuentului electric. Energia pe care o capata electronul in campul electric E in stratul de baraj de largime l este ~ E·l de unde rezulta ca efectul de ionizare prin ciocnire apare in jonctiunea p-n cu regiunile p si relativ slab dopate si al tensiuni inverse mai mari in comparatie cu efectul tunel. Energia necesara pentru purtatori ca sa initieze ionizarea este egala sau mai mare decat largimea benzii interzise. Marimea exacta a pragului de energie depinde de functia de distributie dupa viteze a purtatorilor de sarcina si de structura de benzi a semiconductorilor.

Se defineste un factor de multiplicare care este egal cu raportul dintre concentratia "n" a unui anumit tip de purtatori care ies din stratul de baraj si concentratia aceluiasi tip de purtatori care intra in stratul de baraj "n_o":

Factorul de multiplicare depinde printre altele de tensiunea de aplicata V si de tensiunea strapungere V_s fiind dat de relatia empirica:

unde b = 3 pentru Ge si Si de tip n si este egal cu 5,5 pentru Ge de tip p. Pentru o jonctiune abrupta cu o regiune slab dopata fata de cealalta, de concentratie a impuritatilor N, la temperatura camerei tensiunea de strapungere este data de relatia empirica:

Tensiunea de strapungere creste cu cresterea largimii benzii interzise deoarece procesul de ionizare prin ciocnire implica excitatia banda-banda. S-a observat experimental ca la temperaturi mai mari tensiunea de strapungere creste. O explicatie simpla a acestui fenomen se gaseste considerand ca purtatorii calzi (care au capatat energie in camp comparabila cu energia retelei) care trec prin stratul de baraj in camp electric puternic cedeaza o parte din energia lor retelei prin emisia unui fonon optic pe un drum liber mijlociu, l . Valoarea lui l descreste cu cresterea temperaturii si prin urmare in acelasi camp electric purtatorii cedeaza mai multa energie retelei pe o distanta data. Rezulta ca purtatorii trebuie sa treaca printr-o diferenta mai mare de potential pentru a acumula energia necesara generarii unei perechi electron – gol.

Faptul ca V_s la multiplicarea prin avalansa creste in timp ce la efectul tunel scade cu cresterea temperaturii, permite sa se distinga cele doua mecanisme in fenomenele de strapungere din dioda Zener.

Dioda Zener in regim de strapungere este un bun stabilizator de tensiune.

1. Verificati datele de manufactura ale diodei Zener pe care o aveti. Nu depasiti valorile parametrilor inscrisi pe dioda.
2. Construiti un circuit ca in figura. Atentie, la tensiuni directe dioda este un dispozitiv cu rezistenta mica si deci prin ea va trece un curent mare. Pentru a obtine caracteristica I-V a diodei se regleaza tensiunea la o sursa pana la 50 V.
3. Inregistrati valorile curentului ce trece prin dioda in sens direct pentru tensiuni cuprinse intre 0 si 0,8 V.


Construiti circuitul din figura. Cu acest circuit puteti ridica caracteristica inversa a diodei. Se procedeaza astfel:

• Care este diferenta intre strapungere prin avalansa si strapungere prin efectul tunel?
• De ce scade tensiunea de strapungere prin avalansa cu cresterea concentratiei de doping?
• Comparati un stabilizator Zener cu unul cu tub electronic.