Giunzione pn e diodo: il raddrizzamento

Mettere a contatto una regione di tipo p e una di tipo n nello stesso cristallo crea il componente più elementare e più importante dell’elettronica: la giunzione pn. Da sola fa una cosa apparentemente banale — lascia passare la corrente in un verso e non nell’altro — ma su questo «raddrizzamento» si fondano diodi, celle solari, LED e, in ultima analisi, i transistor.

Vediamo che cosa succede quando p e n si toccano, perché si forma una zona di svuotamento, come la giunzione raddrizza la corrente e che cosa cambia in polarizzazione diretta e inversa.

Che cosa succede al contatto

La giunzione si realizza in un unico cristallo, drogato di tipo p in una zona e di tipo n in un’altra adiacente. Al contatto le due regioni hanno popolazioni di portatori molto diverse: tanti elettroni a destra (lato n), tante lacune a sinistra (lato p). Per pura differenza di concentrazione, gli elettroni diffondono verso il lato p e le lacune verso il lato n, dove si ricombinano fra loro annullandosi. Questa migrazione non prosegue indefinitamente, perché lascia dietro di sé cariche fisse scoperte.

La zona di svuotamento

Dove elettroni e lacune si sono ricombinati, restano scoperti gli ioni fissi del drogaggio: ioni donatori positivi sul lato n, ioni accettori negativi sul lato p. Si forma così una sottile regione priva di portatori liberi, la zona di svuotamento (o di carica spaziale), spessa tipicamente meno di un micrometro. Le cariche fisse scoperte generano un campo elettrico interno e una corrispondente barriera di potenziale che si oppone a ulteriore diffusione: all’equilibrio, la spinta diffusiva e il campo interno si bilanciano esattamente e la corrente netta è nulla.

Il raddrizzamento

La proprietà chiave della giunzione è il raddrizzamento: applicando una tensione esterna, una grande corrente scorre se la polarità è in un verso, una corrente piccolissima se è nel verso opposto. La giunzione si comporta dunque come una valvola a senso unico per la corrente, e questo è esattamente ciò che fa un diodo. Se si applica una tensione alternata, la corrente passa quasi solo in una direzione: la giunzione l’ha «raddrizzata».

polarizzazione diretta  →  barriera abbassata  →  corrente grande
polarizzazione inversa  →  barriera alzata  →  corrente quasi nulla

Diretta e inversa

In polarizzazione diretta si collega il polo positivo al lato p e il negativo al lato n: la tensione esterna si oppone alla barriera interna, abbassandola e assottigliando la zona di svuotamento. I portatori maggioritari riescono allora ad attraversare la giunzione e scorre una corrente abbondante, che cresce rapidamente al crescere della tensione. In polarizzazione inversa si inverte la polarità: la tensione esterna si somma alla barriera, alzandola e allargando la zona di svuotamento. Solo una corrente minuscola, dovuta ai portatori minoritari, riesce a passare: la giunzione è di fatto chiusa.

Dalla giunzione al transistor

La giunzione pn è il mattone elementare. Accostando due giunzioni si ottiene il transistor bipolare; combinando regioni drogate e un isolante di controllo si ottiene il transistor a effetto di campo (MOSFET), il cuore dei chip moderni. In tutti questi dispositivi la fisica di base resta quella della giunzione: la zona di svuotamento che si modula, la barriera che si alza e si abbassa, i portatori maggioritari e minoritari che la attraversano o ne sono respinti. Capire bene una singola giunzione è quindi il passo che apre alla comprensione dell’intera elettronica a stato solido.

Perché conta nella pratica

La giunzione pn è il fondamento di quasi tutta l’elettronica. Capire perché raddrizza, come si comporta la zona di svuotamento e che cosa cambia fra polarizzazione diretta e inversa permette di leggere il funzionamento di diodi, raddrizzatori, celle solari e, in prospettiva, transistor. Per chi lavora con sensori, alimentatori o dispositivi a semiconduttore, questa è la conoscenza minima per interpretare schede tecniche e prevedere il comportamento di un componente.

Domande frequenti

Che cos’è una giunzione pn?

È la regione di contatto, all’interno di un unico cristallo, fra una zona drogata di tipo p e una di tipo n adiacenti. Al contatto i portatori diffondono e si ricombinano, lasciando scoperti gli ioni fissi del drogaggio che creano un campo interno e una barriera di potenziale. È il componente elementare da cui derivano diodi, celle solari, LED e transistor.

Che cos’è la zona di svuotamento?

È la sottile regione a cavallo della giunzione svuotata di portatori liberi, perché vi si sono ricombinati. Vi restano gli ioni fissi del drogaggio, che generano un campo elettrico interno e una barriera di potenziale. La zona di svuotamento si assottiglia in polarizzazione diretta e si allarga in quella inversa, ed è ciò che governa il comportamento della giunzione.

Perché un diodo conduce in un solo verso?

Perché la tensione esterna agisce sulla barriera interna della giunzione. In polarizzazione diretta la abbassa, assottiglia la zona di svuotamento e lascia passare una corrente abbondante dei portatori maggioritari. In polarizzazione inversa la alza e allarga la zona di svuotamento, lasciando solo una corrente minuscola dei minoritari. Questo raddrizzamento è ciò che rende il diodo una valvola a senso unico.

Che differenza c’è fra polarizzazione diretta e inversa?

In diretta il polo positivo è sul lato p: la barriera si abbassa, la zona di svuotamento si assottiglia e scorre una corrente grande, crescente con la tensione. In inversa il positivo è sul lato n: la barriera si alza, la zona di svuotamento si allarga e passa solo una corrente trascurabile. È la base del comportamento a valvola del diodo.

Come fa una giunzione pn a produrre elettricità dalla luce?

Illuminata, la giunzione assorbe fotoni che nella zona di svuotamento creano coppie elettrone–lacuna. Il campo elettrico interno separa subito le due cariche, spingendole verso lati opposti: si genera una tensione senza alcuna batteria. È il principio della cella fotovoltaica, in cui grandi giunzioni pn di silicio convertono la luce solare in corrente elettrica utilizzabile.