La unión p-n posee propiedades esenciales para la electrónica moderna. Un semiconductor dopado con p es relativamente conductor. Lo mismo ocurre con un semiconductor dopado con n, pero la unión entre ambos puede quedarse sin portadores de carga y, por tanto, no ser conductora, dependiendo de las tensiones relativas de las dos regiones semiconductoras. Mediante la manipulación de esta capa no conductora, las uniones p-n se utilizan habitualmente como diodos: elementos de circuito que permiten un flujo de electricidad en una dirección pero no en la otra (opuesta). La polarización es la aplicación de un voltaje a través de una unión p-n; la polarización hacia adelante está en la dirección de un flujo de corriente fácil, y la polarización inversa está en la dirección de un flujo de corriente escaso o nulo.
Las propiedades de polarización hacia adelante y de polarización inversa de la unión p-n implican que puede utilizarse como un diodo. Un diodo de unión p-n permite que las cargas eléctricas fluyan en una dirección, pero no en la dirección opuesta; las cargas negativas (electrones) pueden fluir fácilmente a través de la unión de n a p pero no de p a n, y lo contrario es cierto para los huecos. Cuando la unión p-n está polarizada hacia delante, la carga eléctrica fluye libremente debido a la reducción de la resistencia de la unión p-n. Sin embargo, cuando la unión p-n está polarizada hacia atrás, la barrera de unión (y por lo tanto la resistencia) se hace mayor y el flujo de carga es mínimo.
Equilibrio (polarización cero)Edit
En una unión p-n, sin una tensión externa aplicada, se alcanza una condición de equilibrio en la que se forma una diferencia de potencial a través de la unión. Esta diferencia de potencial se denomina potencial incorporado V b i {\displaystyle V_{rm {bi}}.
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En la unión, los electrones libres del tipo n son atraídos por los huecos positivos del tipo p. Se difunden en el tipo p, se combinan con los huecos y se anulan mutuamente. De forma similar, los huecos positivos del tipo p son atraídos por los electrones libres del tipo n. Los huecos se difunden en el tipo n, se combinan con los electrones libres y se anulan mutuamente. Los átomos dopantes cargados positivamente en el tipo n forman parte del cristal y no pueden moverse. Así, en el tipo n, una región cercana a la unión se carga positivamente. Los átomos dopantes receptores cargados negativamente en el tipo p forman parte del cristal y no pueden moverse. Por lo tanto, en el tipo p, una región cercana a la unión se carga negativamente. El resultado es una región cercana a la unión que actúa para repeler las cargas móviles lejos de la unión a través del campo eléctrico que estas regiones cargadas crean. Las regiones cercanas a la interfaz p-n pierden su neutralidad y la mayoría de sus portadores móviles, formando la región de carga espacial o capa de agotamiento (véase la figura A).
El campo eléctrico creado por la región de carga espacial se opone al proceso de difusión tanto para los electrones como para los huecos. Hay dos fenómenos concurrentes: el proceso de difusión que tiende a generar más carga espacial, y el campo eléctrico generado por la carga espacial que tiende a contrarrestar la difusión. El perfil de concentración de portadores en equilibrio se muestra en la figura A con líneas azules y rojas. También se muestran los dos fenómenos de contrapeso que establecen el equilibrio.
La región de carga espacial es una zona con una carga neta proporcionada por los iones fijos (donantes o aceptores) que han quedado al descubierto por la difusión de portadores mayoritarios. Cuando se alcanza el equilibrio, la densidad de carga se aproxima por la función escalonada mostrada. De hecho, dado que el eje y de la figura A es de escala logarítmica, la región está casi completamente vacía de portadores mayoritarios (dejando una densidad de carga igual al nivel de dopaje neto), y el borde entre la región de carga espacial y la región neutra es bastante agudo (véase la figura B, gráfico Q(x)). La región de carga espacial tiene la misma magnitud de carga a ambos lados de las interfaces p-n, por lo que se extiende más en el lado menos dopado en este ejemplo (el lado n en las figuras A y B).
Sesgo hacia adelanteEditar
En sesgo hacia adelante, el tipo p está conectado con el terminal positivo y el tipo n está conectado con el terminal negativo.
Con una pila conectada de este modo, los huecos de la región tipo p y los electrones de la región tipo n son empujados hacia la unión y comienzan a neutralizar la zona de agotamiento, reduciendo su anchura. El potencial positivo aplicado al material de tipo p repele los agujeros, mientras que el potencial negativo aplicado al material de tipo n repele los electrones. El cambio de potencial entre el lado p y el lado n disminuye o cambia de signo. Al aumentar la tensión de polarización directa, la zona de agotamiento acaba siendo lo suficientemente fina como para que el campo eléctrico de la zona no pueda contrarrestar el movimiento de los portadores de carga a través de la unión p-n, lo que reduce la resistencia eléctrica. Los electrones que cruzan la unión p-n hacia el material de tipo p (o los huecos que cruzan hacia el material de tipo n) se difunden hacia la región neutra cercana. La cantidad de difusión minoritaria en las zonas cercanas al neutro determina la cantidad de corriente que puede fluir a través del diodo.
Sólo los portadores mayoritarios (electrones en el material tipo n o huecos en el tipo p) pueden fluir a través de un semiconductor durante una longitud macroscópica. Teniendo esto en cuenta, consideremos el flujo de electrones a través de la unión. La polarización hacia delante provoca una fuerza sobre los electrones que los empuja desde el lado N hacia el lado P. Con la polarización hacia delante, la región de agotamiento es lo suficientemente estrecha como para que los electrones puedan cruzar la unión e inyectarse en el material de tipo p. Sin embargo, no continúan fluyendo a través del material tipo p indefinidamente, porque es energéticamente favorable para ellos recombinarse con agujeros. La longitud media que recorre un electrón a través del material de tipo p antes de recombinarse se denomina longitud de difusión, y suele ser del orden de los micrómetros.
Aunque los electrones penetran sólo una corta distancia en el material de tipo p, la corriente eléctrica continúa sin interrupción, porque los huecos (los portadores mayoritarios) comienzan a fluir en la dirección opuesta. La corriente total (la suma de las corrientes de electrones y de huecos) es constante en el espacio, porque cualquier variación provocaría una acumulación de carga con el tiempo (es la ley de la corriente de Kirchhoff). El flujo de agujeros desde la región de tipo p hacia la región de tipo n es exactamente análogo al flujo de electrones de N a P (los electrones y los agujeros intercambian sus papeles y los signos de todas las corrientes y tensiones se invierten).
Por lo tanto, la imagen macroscópica del flujo de corriente a través del diodo implica que los electrones fluyen a través de la región de tipo n hacia la unión, los agujeros fluyen a través de la región de tipo p en la dirección opuesta hacia la unión, y las dos especies de portadores se recombinan constantemente en las proximidades de la unión. Los electrones y los huecos viajan en direcciones opuestas, pero también tienen cargas opuestas, por lo que la corriente total está en la misma dirección en ambos lados del diodo, como se requiere.
La ecuación del diodo Shockley modela las características operativas de polarización directa de una unión p-n fuera de la región de avalancha (conductora de polarización inversa).
Sesgo inversoEditar
Conectar la región de tipo p al terminal negativo de la batería y la región de tipo n al terminal positivo corresponde al sesgo inverso. Si un diodo tiene polarización inversa, la tensión en el cátodo es comparativamente mayor que en el ánodo. Por lo tanto, fluye muy poca corriente hasta que el diodo se rompe. Las conexiones se ilustran en el diagrama adyacente.
Como el material de tipo p está ahora conectado al terminal negativo de la fuente de alimentación, los «agujeros» del material de tipo p se alejan de la unión, dejando atrás iones cargados y haciendo que aumente la anchura de la región de agotamiento. Del mismo modo, como la región de tipo n está conectada al terminal positivo, los electrones se alejan de la unión, con un efecto similar. Esto aumenta la barrera de voltaje causando una alta resistencia al flujo de portadores de carga, permitiendo así que una mínima corriente eléctrica cruce la unión p-n. El aumento de la resistencia de la unión p-n hace que la unión se comporte como un aislante.
La intensidad del campo eléctrico de la zona de agotamiento aumenta a medida que aumenta la tensión de polarización inversa. Una vez que la intensidad del campo eléctrico aumenta por encima de un nivel crítico, la zona de agotamiento de la unión p-n se rompe y comienza a fluir la corriente, normalmente por los procesos de ruptura de Zener o de avalancha. Ambos procesos de ruptura no son destructivos y son reversibles, siempre que la cantidad de corriente que fluye no alcance niveles que provoquen el sobrecalentamiento del material semiconductor y causen daños térmicos.
Este efecto se aprovecha en los circuitos reguladores de diodos Zener. Los diodos Zener tienen una baja tensión de ruptura. Un valor estándar para la tensión de ruptura es, por ejemplo, 5,6 V. Esto significa que la tensión en el cátodo no puede ser más de unos 5,6 V superior a la tensión en el ánodo (aunque hay un ligero aumento con la corriente), porque el diodo se rompe, y por lo tanto conduce, si la tensión es mayor. Esto, en efecto, limita la tensión sobre el diodo.
Otra aplicación de la polarización inversa son los diodos Varicap, donde la anchura de la zona de agotamiento (controlada con la tensión de polarización inversa) cambia la capacitancia del diodo.
