Teoría de la unión PN

Una unión PN se forma cuando un material de tipo N se fusiona con un material de tipo P creando un diodo semiconductor.

En el tutorial anterior vimos cómo hacer un material semiconductor de tipo N dopando un átomo de silicio con pequeñas cantidades de antimonio y también cómo hacer un material semiconductor de tipo P dopando otro átomo de silicio con boro.

Todo esto está muy bien, pero estos materiales semiconductores de tipo N y tipo P recién dopados hacen muy poco por sí mismos, ya que son eléctricamente neutros. Sin embargo, si unimos (o fusionamos) estos dos materiales semiconductores juntos, se comportan de una manera muy diferente fusionándose y produciendo lo que generalmente se conoce como una “unión PN”.

Cuando los materiales semiconductores de tipo N y semiconductores de tipo P se unen por primera vez, existe un gradiente de densidad muy grande entre ambos lados de la unión PN. El resultado es que algunos de los electrones libres de los átomos de impureza donantes comienzan a migrar a través de esta unión recién formada para llenar los huecos en el material de tipo P que produce iones negativos.

Sin embargo, debido a que los electrones se han movido a través de la unión PN desde el silicio tipo N al silicio tipo P, dejan iones donantes cargados positivamente ( ND ) en el lado negativo y ahora los huecos de la impureza aceptora migran a través del unión en la dirección opuesta en la región donde hay un gran número de electrones libres.

Como resultado, la densidad de carga de los de tipo P a lo largo de la unión se llena con iones aceptores de carga negativa (NA), y la densidad de carga del tipo N a lo largo de la unión se convierte en positivo. Esta transferencia de carga de electrones y huecos a través de la unión PN se conoce como difusión. El ancho de estas capas P y N depende de la cantidad de dopado de cada lado con la densidad del aceptor NA y la densidad del donante ND, respectivamente.

Este proceso continúa hacia adelante y hacia atrás hasta que el número de electrones que han cruzado la unión tiene una carga eléctrica lo suficientemente grande como para repeler o evitar que más portadores de carga crucen la unión. Finalmente, se producirá un estado de equilibrio (situación eléctricamente neutra) que producirá una zona de «barrera de potencial» alrededor del área de la unión a medida que los átomos donantes repelen los huecos y los átomos aceptores repelen los electrones.

Dado que ningún portador de carga gratuita puede descansar en una posición en la que haya una barrera potencial, las regiones a ambos lados de la unión ahora se agotan por completo de más portadores libres en comparación con los materiales de tipo N y P más alejados de la unión. Esta área alrededor de la unión PN ahora se llama la capa de agotamiento.

La unión PN

semiconductor pn junction - Teoría de la unión PN - ClasesParaTodos.org

La carga total en cada lado de una unión PN debe ser igual y opuesta para mantener una condición de carga neutra alrededor de la unión. Si la región de la capa de agotamiento tiene una distancia D, por lo tanto, debe penetrar en el silicio una distancia de Dp para el lado positivo y una distancia de Dn para el lado negativo, lo que da una relación entre los dos de:  Dp * NA = Dn * ND  para mantener la neutralidad de carga, también llamada equilibrio.

Distancia de unión PN

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Como el material tipo N ha perdido electrones y el tipo P ha perdido agujeros, el material tipo N se ha vuelto positivo con respecto al tipo P. Entonces, la presencia de iones de impurezas en ambos lados de la unión hace que se establezca un campo eléctrico a través de esta región con el lado N a un voltaje positivo con respecto al lado P. El problema ahora es que una carga gratuita requiere algo de energía extra para superar la barrera que existe ahora para poder cruzar la unión de la región de agotamiento.

Este campo eléctrico creado por el proceso de difusión ha creado una «diferencia de potencial incorporada» a través de la unión con un potencial de circuito abierto (polarización cero) de:

PN junction potential - Teoría de la unión PN - ClasesParaTodos.org

Donde: Eo es el voltaje de unión de polarización cero, VT el voltaje térmico de 26 mV a temperatura ambiente, ND y NA son las concentraciones de impurezas y ni es la concentración intrínseca.

Un voltaje positivo adecuado (polarización directa) aplicado entre los dos extremos de la unión PN puede suministrar los electrones libres y los huecos con la energía adicional. El voltaje externo necesario para superar esta barrera potencial que existe ahora depende en gran medida del tipo de material semiconductor utilizado y de su temperatura real.

Normalmente, a temperatura ambiente, el voltaje a través de la capa de agotamiento para el silicio es de aproximadamente 0,6 a 0,7 voltios y para el germanio es de aproximadamente 0,3 a 0,35 voltios. Esta barrera potencial siempre existirá incluso si el dispositivo no está conectado a ninguna fuente de alimentación externa, como se ve en los diodos.

La importancia de este potencial incorporado a través de la unión es que se opone tanto al flujo de huecos como de electrones a través de la unión y es por eso que se le llama barrera de potencial. En la práctica, una unión PN se forma dentro de un solo cristal de material en lugar de simplemente unir o fusionar dos piezas separadas.

El resultado de este proceso es que la unión PN tiene características rectificadoras de corriente-voltaje (IV o I-V). Los contactos eléctricos se funden a ambos lados del semiconductor para permitir que se realice una conexión eléctrica a un circuito externo. El dispositivo electrónico resultante que se ha fabricado se denomina comúnmente diodo de unión PN o simplemente diodo de señal.

Luego, hemos visto aquí que se puede hacer una unión PN al unir o difundir materiales semiconductores dopados de manera diferente para producir un dispositivo electrónico llamado diodo que se puede usar como la estructura semiconductora básica de rectificadores, todo tipo de transistores, LED, células solares y muchos más dispositivos de estado sólido.En el próximo tutorial sobre la unión PN, veremos una de las aplicaciones más interesantes de la unión PN, la cuál es su uso en circuitos como diodo. Mediante la adición de conexiones a cada extremo de los materiales de tipo P y los de tipo N que podemos producir un dispositivo de dos terminal llamado un diodo de unión PN que puede ser sesgado por un voltaje externo a cualquiera de bloquear o permitir el flujo de corriente a través de él.

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