Unión PN: Definición, Formación y Aplicaciones

Los semiconductores son materiales cuya conductividad se sitúa entre conductores y aislantes. Los semiconductores se clasifican en semiconductores intrínsecos y semiconductores extrínsecos. A su vez, los semiconductores extrínsecos se clasifican en semiconductores de tipo N y de tipo P.

La unión P-N se forma entre los semiconductores de tipo p y de tipo n. En esta sesión, vamos a saber más sobre la unión PN.

¿Qué es la Unión PN?

Definición: Una unión PN es una interfaz o un límite entre dos tipos de material semiconductor, el tipo p y el tipo n, dentro de un semiconductor.

En un semiconductor, la unión P-N se crea mediante el método de dopaje. El lado p o positivo del semiconductor tiene un exceso de huecos y el lado n o negativo tiene un exceso de electrones. El proceso de dopaje se explica con más detalle en la siguiente sección.

Formación de la Unión PN

Como sabemos, si utilizamos diferentes materiales semiconductores para hacer una unión PN, habrá un límite de grano que inhibirá el movimiento de electrones de un lado a otro mediante la dispersión de los electrones y huecos y, por lo tanto, utilizamos el proceso de dopaje. Comprenderemos el proceso de dopaje con la ayuda de este ejemplo.

Consideremos una lámina delgada de semiconductor de silicio tipo p. Si le añadimos una pequeña cantidad de impureza pentavalente, una parte del Si de tipo p se convertirá en silicio de tipo n. Esta lámina ahora contendrá tanto la región de tipo p como la región de tipo n y una unión entre estas dos regiones.

Los procesos que siguen a la formación de una unión PN son de dos tipos: difusión y deriva. Existe una diferencia en la concentración de huecos y electrones a ambos lados de la unión. Los huecos del lado p se difunden hacia el lado n, y los electrones del lado n se difunden hacia el lado p. Estos dan lugar a una corriente de difusión a través de la unión.

Además, cuando un electrón se difunde del lado n al lado p, queda un donante ionizado en el lado n, que es inmóvil. A medida que el proceso continúa, se desarrolla una capa de carga positiva en el lado n de la unión. Del mismo modo, cuando un hueco pasa del lado p al lado n, queda un aceptor ionizado en el lado p, lo que da lugar a la formación de una capa de cargas negativas en el lado p de la unión.

Esta región de carga positiva y carga negativa a ambos lados de la unión se denomina región de agotamiento. Debido a esta región de carga espacial positiva a cada lado de la unión, se desarrolla un campo eléctrico con la dirección de una carga positiva hacia la carga negativa. Debido a este campo eléctrico, un electrón del lado p de la unión se mueve hacia el lado n de la unión. Este movimiento se denomina deriva. Aquí vemos que la dirección de la corriente de deriva es opuesta a la de la corriente de difusión.

Condiciones de Polarización para el Diodo de Unión P-N

Hay dos regiones de funcionamiento en el diodo de unión P-N:

• tipo-P
• tipo-N

Existen tres condiciones de polarización para el diodo de unión P-N, que se basan en el voltaje aplicado:

• Polarización Cero: No se aplica tensión externa al diodo de unión P-N.
• Polarización Directa: El terminal positivo del potencial de tensión está conectado al tipo p, mientras que el terminal negativo está conectado al tipo n.
• Polarización Inversa: El terminal negativo del potencial de tensión se conecta al tipo p y el positivo se conecta al tipo n.

Polarización Directa

Cuando el tipo p está conectado al terminal positivo de la batería y el tipo n al terminal negativo, se dice que la unión P-N está en polarización directa. Cuando la unión P-N está en polarización directa, el campo eléctrico integrado en la unión P-N y el campo eléctrico aplicado están en direcciones opuestas. Al sumar ambos campos eléctricos, el campo eléctrico resultante tiene una magnitud menor que el campo eléctrico incorporado.

El resultado es una región de agotamiento menos resistiva y más delgada. La resistencia de la región de agotamiento se vuelve despreciable cuando la tensión aplicada es grande. En el silicio, a una tensión de 0,6 V, la resistencia de la región de agotamiento se vuelve completamente despreciable y la corriente fluye a través de ella sin impedimentos.

Polarización Inversa

Cuando el tipo p está conectado al terminal negativo de la batería y el tipo n está conectado al lado positivo, la unión P-N tiene polarización inversa. En este caso, el campo eléctrico incorporado y el campo eléctrico aplicado tienen la misma dirección. Cuando se suman los dos campos, el campo eléctrico resultante está en la misma dirección que el campo eléctrico incorporado, creando una región de agotamiento más resistiva y más gruesa. La región de agotamiento se vuelve más resistiva y más gruesa si la tensión aplicada aumenta.

Fórmula de la Unión P-N

La fórmula utilizada en la unión P-N depende de la diferencia de potencial incorporada creada por el campo eléctrico y se expresa como:

Dónde,

• E₀ es la tensión de unión de polarización cero
• V_T es la tensión térmica de 26 mV a temperatura ambiente
• N_D y N_A son las concentraciones de impurezas
• n_i es la concentración intrínseca.

¿Cómo Fluye la Corriente en el Diodo de Unión PN?

El flujo de electrones desde el lado n hacia el lado p de la unión se produce cuando aumenta la tensión. Del mismo modo, el flujo de huecos desde el lado p hacia el lado n de la unión se produce junto con el aumento de la tensión. Esto da lugar a un gradiente de concentración entre ambos lados de los terminales. Debido a la formación del gradiente de concentración, los portadores de carga fluirán desde regiones de mayor concentración a regiones de menor concentración. El movimiento de los portadores de carga dentro de la unión P-N es la razón detrás del flujo de corriente en el circuito.

Aplicaciones del Diodo de Unión P-N

• El diodo de unión P-N puede utilizarse como fotodiodo, ya que es sensible a la luz cuando la configuración del diodo es de polarización inversa.
• Puede utilizarse como célula solar.
• Cuando el diodo está en polarización directa, puede utilizarse en aplicaciones de iluminación LED.
• Se utiliza como rectificador en muchos circuitos eléctricos y como oscilador controlado por tensión en varactores.

PREGUNTAS FRECUENTES