Teoría de la Unión PN

Como dijimos anteriormente en el tema de semiconductores correspondientes a los diodos. Sobre como hacer un material semiconductor de tipo N basándose en el dopaje de un átomo de silicio con pequeñas cantidades de antimonio así como el como hacer un material semiconductor de tipo P dopando a otro átomo de silicio con boro. (la importancia del silicio es super fundamental).

Pero bien, la teoría de la unión PN se basa en algo muy importante a tener en cuenta, recordemos que los materiales semiconductores de tipo N y tipo P que recientemente han sido dopados hacen muy poco por si mismos, ya que son electricamente neutros. Sin embargo, si unimos (o fusionamos) estos dos materiales semiconductores juntos, suelen comportarse de una manera muy diferente fusionándose y produciendo lo que generalmente se conoce como una "Unión PN".

La unión PN

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. La consecuencia es que algunos de los electrones libres de los átomos de impurezas 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 de tipo N al silicio de tipo P, dejan iones donantes cargados positivamente (ND) en el lado negativo y ahora los agujeros 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 del tipo P a lo largo de la unión se llena de iones aceptores cargados negativamente (NA), y la densidad de carga del tipo N a lo largo de la unión se vuelve positiva. Esta transferencia de carga de electrones y huecos a través de la unión PN se conoce como difusión. La anchura de estas capas P y N depende de la cantidad de dopaje en cada lado con la densidad del aceptor NA y la densidad del donante ND , respectivamente.

Este proceso continúa una y otra vez hasta que el número de electrones que han cruzado la unión tiene una carga eléctrica lo suficientemente grande como para repeler o impedir que otros portadores de carga crucen la unión. Finalmente, se producirá un estado de equilibrio (situación eléctricamente neutra), produciendo una zona de "barrera de potencial" alrededor del área de la unión, ya que los átomos donantes repelen los huecos y los átomos aceptores repelen los electrones.

Dado que ningún portador de carga libre puede descansar en una posición en la que hay una barrera de potencial, las regiones a ambos lados de la unión están ahora completamente agotadas de más portadores libres en comparación con los materiales de tipo N y P más alejados de la unión. Esta zona alrededor de la unión PN se denomina ahora capa de agotamiento.

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, dando una relación entre los dos de: Dp * N A = Dn * N D para mantener la neutralidad de la carga, también llamada equilibrio.

Distancia de la unión PN

distancia_union_pn

Como el material de tipo N ha perdido electrones y el de tipo P ha perdido huecos, el material de tipo N se ha vuelto positivo con respecto al de tipo P. Entonces, la presencia de iones de impureza a 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 libre requiere algo de energía adicional para superar la barrera que ahora existe con el fin de 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:

Unión PN

Donde:

Eo es la tensión de unión de polarización cero.

VT es la tensión térmica de 26 mV (mili Volts) a temperatura ambiente

ND y NA son las concentraciones de impurezas

ni es la concentración intrínseca.

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

Normalmente, a temperatura ambiente, la tensión a través de la capa de agotamiento para el silicio es de unos 0,6 a 0,7 voltios y para el germanio es de unos 0,3 a 0,35 voltios. Esta barrera de potencial siempre existirá aunque el dispositivo no esté conectado a ninguna fuente de alimentación externa, como se observa en los diodos.

La importancia de este potencial incorporado a través de la unión es que se opone tanto al flujo de huecos como al de electrones a través de la unión y por eso se 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 de rectificación de corriente-voltaje (IV o I-V). Los contactos eléctricos se funden en ambos lados del semiconductor para permitir una conexión eléctrica con un circuito externo. El dispositivo electrónico resultante que se ha fabricado se denomina comúnmente diodo de unión PN o simplemente diodo de señal.

A continuación, hemos visto que una unión PN se puede hacer uniendo o difundiendo materiales semiconductores dopados de forma diferente para producir un dispositivo electrónico llamado diodo que se puede utilizar como la estructura semiconductora básica de rectificadores, todo tipo de transistores, LEDs, y muchos más dispositivos de estado sólido.

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