Teoría de la unión PN para diodos semiconductores

Teoría de la unión PN

Una unión PN se forma cuando un material de tipo N se
fusiona junto 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 P de tipo recientemente dopados hacen muy poco por
sí solos ya que son eléctricamente neutros. Sin embargo, si unimos (o
fusionamos) estos dos materiales semiconductores juntos, se comportan de una
manera muy diferente al fusionarse y producir lo que generalmente se conoce
como una " unión PN ".

En el tutorial anterior vimos cómo hacer un material
semiconductor de tipo N dopando un áCuando los materiales semiconductores de
tipo N y los materiales semiconductores de tipo P se unen por primera vez,
existe un gran gradiente de densidad entre ambos lados de la unión PN. El
resultado es que algunos de los electrones libres de los átomos de impureza del
donante comienzan a migrar a través de esta unión recién formada para rellenar
los agujeros 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 (  N
D  ) en el lado negativo y ahora los
orificios de la impureza del aceptor migran a través del lado negativo. cruce
en la dirección opuesta a la región donde hay un gran número de electrones
libres.

Como resultado, la densidad de carga del tipo P a lo largo
de la unión se llena con iones aceptadores cargados negativamente (  N A  ),
y la densidad de carga del tipo N a lo largo de la unión se vuelve positiva.
Esta transferencia de carga de electrones y agujeros a través de la unión PN se
conoce como difusión . El ancho de estas capas P y N depende de la cantidad de
dopados de cada lado con la densidad aceptadora N A y la densidad donante N D ,
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. Eventualmente, se producirá un estado de equilibrio (situación
eléctricamente neutra) que producirá una zona de "barrera potencial"
alrededor del área de la unión a medida que los átomos donantes repelen los
agujeros y los átomos aceptores repelen los electrones.

Dado que ningún portador de carga libre puede descansar en
una posición donde exista una barrera potencial, las regiones a ambos lados de
la unión ahora se agotan por completo de cualquier portador libre más 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

La carga total en cada lado de una unión PN debe ser igual y
opuesta para mantener una condición de carga neutral 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 que da una relación entre los dos
de:   Dp * N A  = Dn * N D  
para mantener la neutralidad de la carga también se llama equilibrio.

Distancia de unión PN

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

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

Donde: E o es el voltaje de la unión de polarización cero, V
T el voltaje térmico de 26 mV a temperatura ambiente, N D y N A son las
concentraciones de impureza y n i es la concentración intrínseca.

Una tensión positiva adecuada (polarización directa)
aplicada entre los dos extremos de la unión PN puede suministrar a los
electrones y agujeros libres la energía extra. El voltaje externo requerido para
superar esta barrera potencial que ahora existe depende en gran medida del tipo
de material semiconductor utilizado y su temperatura real.

Típicamente, 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 al flujo de agujeros y electrones a través de la unión y
es por eso que se llama la barrera potencial. En la práctica, una unión PN se
forma dentro de un único 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 de rectificación de corriente-voltaje (IV o I-V). Los contactos
eléctricos están fusionados en cualquier lado 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 .

Entonces, hemos visto aquí que se puede hacer una unión PN
uniendo o difundiendo materiales semiconductores dopados de manera diferente
para producir un dispositivo electrónico llamado diodo que se puede usar como
la estructura semiconductora básica de los rectificadores, todos los tipos de
transistores, LED, células solares. , y muchos más de tales dispositivos de
estado sólido.

En el siguiente tutorial sobre la unión PN, veremos que una
de las aplicaciones más interesantes de la unión PN es su uso en circuitos como
diodo. Mediante la adición de conexiones a cada extremo de la de tipo P y los
de tipo N materiales 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.