Los semiconductores son materiales cuya conductividad se encuentra entre la de los conductores y la de los aislantes. Se clasifican en semiconductores intrínsecos y extrínsecos. Los semiconductores extrínsecos se clasifican a su vez en semiconductores de tipo N y de tipo P.
La unión PN se forma entre los semiconductores de tipo p y de tipo n. En este artículo, 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.
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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
- VT es la tensión térmica de 26 mV a temperatura ambiente
- ND y NA son las concentraciones de impurezas
- ni 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
Existen diversas aplicaciones del diodo de unión PN en el campo de la electrónica; algunas de ellas se enumeran a continuación:
- Una de las aplicaciones más comunes de un diodo de unión PN es como rectificador, es decir, para convertir corriente alterna (CA) en corriente continua (CC).
- El diodo Zener (un tipo especial de diodo de unión PN) se utiliza en circuitos para la regulación de voltaje.
- Dado que el diodo solo conduce corriente en polarización directa, en circuitos eléctricos se utiliza como interruptor para encender y apagar pequeños circuitos en un circuito mucho más complejo.
- Un diodo de unión p-n polarizado inversamente se utiliza como fotodiodo, ya que es sensible a la luz.
- El LED también es un tipo especial de diodo de unión PN que, en polarización directa, emite luz.
Preguntas más frecuentes
La corriente a través de la unión aumenta cuando se incrementa el voltaje de la batería en una unión P-N con polarización directa.
Los huecos y los electrones tienden a alejarse de la unión.
Los dos mecanismos de ruptura son la ruptura Zener y la ruptura por Avalancha.
La resistencia estática de un diodo se define como la relación entre la tensión continúa aplicada a través del diodo y la corriente continua que fluye a través del diodo.
La resistencia dinámica de un diodo se define como la relación entre el cambio de tensión y el cambio de corriente.
La resistencia inversa se define como la resistencia que ofrece el diodo de unión P-N cuando está polarizado inversamente.
Un semiconductor es un material cuya conductividad se sitúa entre un aislante y un conductor.
Los semiconductores de tipo-n y los semiconductores de tipo-p son los dos tipos de semiconductores.
Los semiconductores de tipo N son semiconductores intrínsecos dopados con antimonio (Sb), fósforo (P) o arsénico (As) como impurezas dopantes.
En la tecnología de semiconductores, el dopaje es el proceso de introducción intencionada de impurezas en semiconductores intrínsecos con el objetivo de modificar sus propiedades ópticas, estructurales y eléctricas.
Un diodo es un dispositivo eléctrico que permite que la corriente fluya sólo en una dirección. En un diagrama de circuito eléctrico, un diodo se denota mediante el símbolo de un triángulo con una línea a lo largo de un vértice.
El diodo emisor de luz, el diodo avalancha, el diodo láser, el diodo Schottky, el fotodiodo, el diodo de unión p-n y el diodo Zener son los principales tipos de diodos.
La polarización directa, la polarización cero y la polarización inversa son las tres regiones en las que funcionan los diodos.
Los diodos de unión P-N se utilizan como rectificadores en numerosos circuitos eléctricos. También se utilizan como osciladores controlados por tensión en varactores.
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