El cruce P-N

Si un bloque de semiconductor de tipo P se pone en contacto con un bloque de semiconductor de tipo N en la Figura siguiente (a), el resultado no tiene valor. Tenemos dos bloques conductores en contacto entre sí, sin propiedades únicas. El problema son dos cuerpos de cristal separados y distintos. El número de electrones se equilibra con el número de protones en ambos bloques. Por lo tanto, ninguno de los bloques tiene ningún cargo neto.

Sin embargo, un solo cristal semiconductor fabricado con material tipo P en un extremo y material tipo N en el otro en la Figura siguiente (b) tiene algunas propiedades únicas. El material de tipo P tiene portadores de carga mayoritarios positivos, orificios, que pueden moverse libremente por la red cristalina. El material de tipo N tiene portadores mayoritarios negativos móviles, electrones. Cerca de la unión, los electrones del material de tipo N se difunden a través de la unión, combinándose con agujeros en el material de tipo P. La región del material de tipo P cerca de la unión adquiere una carga neta negativa debido a los electrones atraídos. Dado que los electrones abandonaron la región de tipo N, adquiere una carga positiva localizada. La capa delgada de la red cristalina entre estas cargas se ha agotado de portadores mayoritarios, por lo que se conoce como la región de agotamiento . Se convierte en material semiconductor intrínseco no conductor. De hecho, tenemos casi un aislante que separa las regiones conductoras dopadas P y N.

(a) Los bloques de semiconductores P y N en contacto no tienen propiedades explotables. (b) Los monocristales dopados con impurezas de tipo P y N desarrollan una barrera potencial.

Esta separación de cargas en la unión PN constituye una barrera potencial. Esta barrera de potencial debe ser superada por una fuente de voltaje externa para hacer que la unión sea conductiva. La formación de la unión y la barrera potencial ocurre durante el proceso de fabricación. La magnitud de la barrera potencial es función de los materiales utilizados en la fabricación. Las uniones PN de silicio tienen una barrera potencial más alta que las uniones de germanio.

Sesgo de unión PN

En la Figura siguiente (a), la batería está dispuesta de modo que el terminal negativo suministre electrones al material de tipo N. Estos electrones se difunden hacia la unión. El terminal positivo elimina electrones del semiconductor tipo P, creando agujeros que se difunden hacia la unión. Si el voltaje de la batería es lo suficientemente alto como para superar el potencial de unión (0,6 V en Si), los electrones de tipo N y los agujeros P se combinan y se aniquilan entre sí. Esto libera espacio dentro de la celosía para que más portadores fluyan hacia la unión. Por lo tanto, las corrientes de los portadores mayoritarios de tipo N y tipo P fluyen hacia la unión. La recombinación en la unión permite que la corriente de la batería fluya a través del diodo de unión PN. Se dice que dicha unión está sesgada hacia adelante .

(a) La polarización de la batería hacia adelante repele los portadores hacia la unión, donde la recombinación da como resultado la corriente de la batería. (b) La polarización inversa de la batería atrae a los portadores hacia los terminales de la batería, lejos de la unión. El grosor de la región de agotamiento aumenta. No fluye corriente sostenida de la batería.

Si la polaridad de la batería se invierte como en la Figura anterior (b), la mayoría de los portadores se alejan de la unión hacia los terminales de la batería. El terminal positivo de la batería atrae a los portadores mayoritarios de tipo N, electrones, lejos de la unión. El terminal negativo atrae a los portadores mayoritarios de tipo P, huecos, lejos de la unión. Esto aumenta el grosor de la región de agotamiento no conductora. No hay recombinación de portadores mayoritarios; por lo tanto, no hay conducción. Esta disposición de la polaridad de la batería se denomina polarización inversa .

Diodo

El símbolo esquemático del diodo se ilustra en la Figura siguiente (b) correspondiente a la barra semiconductora dopada en (a). El diodo es unidireccional dispositivo. La corriente solo fluye en una dirección, junto a la flecha, correspondiente a la polarización directa. El cátodo, barra, del símbolo del diodo, corresponde al semiconductor tipo N. El ánodo, flecha, corresponde al semiconductor tipo P. Para recordar esta relación, N ot-apuntando (barra) en el símbolo corresponde a N -tipo semiconductor. P unción (flecha) corresponde a P -tipo.

(a) Unión PN polarizada hacia adelante, (b) Símbolo esquemático del diodo correspondiente (c) Curva característica del diodo de silicio I frente a V.

Si un diodo tiene polarización directa como en la Figura anterior (a), la corriente aumentará ligeramente a medida que el voltaje se incremente desde 0 V. En el caso de un diodo de silicio, una corriente medible fluye cuando el voltaje se acerca a 0.6 V en la Figura anterior (c ). A medida que el voltaje supera los 0,6 V, la corriente aumenta considerablemente después de la rodilla. Aumentar el voltaje mucho más allá de 0,7 V puede resultar en una corriente lo suficientemente alta como para destruir el diodo. El voltaje directo, VF, es una característica del semiconductor:0,6 a 0,7 V para silicio, 0,2 V para germanio, algunos voltios para diodos emisores de luz (LED). La corriente directa varía desde unos pocos mA para diodos de contacto puntual hasta 100 mA para diodos de señal pequeña y decenas o miles de amperios para diodos de potencia.

Si el diodo tiene polarización inversa, solo fluye la corriente de fuga del semiconductor intrínseco. Esto se traza a la izquierda del origen en la Figura anterior (c). Esta corriente solo será tan alta como 1 µA para las condiciones más extremas para diodos de señal pequeña de silicio. Esta corriente no aumenta apreciablemente al aumentar la polarización inversa hasta que el diodo se descompone. En la ruptura, la corriente aumenta tanto que el diodo se destruirá a menos que una alta resistencia en serie limite la corriente. Normalmente seleccionamos un diodo con una clasificación de voltaje inverso más alto que cualquier voltaje aplicado para evitar esto. Los diodos de silicio suelen estar disponibles con clasificaciones de ruptura inversa de 50, 100, 200, 400, 800 V y superiores. Es posible fabricar diodos con una clasificación más baja de unos pocos voltios para usarlos como estándares de voltaje.

Anteriormente mencionamos que la corriente de fuga inversa de menos de un µA para los diodos de silicio se debía a la conducción del semiconductor intrínseco. Ésta es la fuga que puede explicarse mediante la teoría. La energía térmica produce pocos pares de agujeros de electrones, que conducen la corriente de fuga hasta la recombinación. En la práctica real, esta corriente predecible es solo una parte de la corriente de fuga. Gran parte de la corriente de fuga se debe a la conducción superficial, relacionada con la falta de limpieza de la superficie del semiconductor. Ambas corrientes de fuga aumentan con el aumento de temperatura, acercándose a un µA para diodos de silicio pequeños.

Para el germanio, la corriente de fuga es órdenes de magnitud mayor. Dado que los semiconductores de germanio rara vez se utilizan en la actualidad, esto no es un problema en la práctica.

REVISAR:

• Las uniones PN se fabrican a partir de una pieza monocristalina de semiconductor con una región de tipo P y de tipo N en las proximidades de una unión.
• La transferencia de electrones desde el lado N de la unión a los agujeros aniquilados en el lado P de la unión produce un voltaje de barrera. Esto es de 0,6 a 0,7 V en silicio y varía con otros semiconductores.
• Una unión PN con polarización directa conduce una corriente una vez que se supera el voltaje de barrera. El potencial externo aplicado fuerza a los portadores mayoritarios hacia la unión donde tiene lugar la recombinación, lo que permite el flujo de corriente.
• Una unión PN con polarización inversa casi no conduce corriente. El sesgo inverso aplicado atrae a los portadores mayoritarios lejos de la unión. Esto aumenta el grosor de la región de agotamiento no conductora.
• Las uniones PN con polarización inversa muestran una corriente de fuga inversa dependiente de la temperatura. Esto es menos de un µA en pequeños diodos de silicio.

HOJAS DE TRABAJO RELACIONADAS:

• Hoja de trabajo de uniones PN
• Hoja de trabajo de conducción eléctrica en semiconductores