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Introducción a las uniones PN en semiconductores

Como vimos en mi artículo anterior, al introducir átomos dopantes en una red cristalina de silicio, producimos ligeras variaciones en sus bandas de energía. Según sean estas variaciones (según el tipo de átomo introducido), podemos tener áreas dopadas tipo P (con huecos en la banda de valencia producidos por los dopantes) y tipo N (con electrones en la banda de conducción liberados por los dopantes). También comentamos, muy de pasada, que dos zonas dopadas diferentemente pueden estar juntas, produciendo determinados efectos. En este artículo introduciremos este concepto de unión PN y explicaremos su aplicación más simple: el diodo.

Antes de comenzar, matizar que las uniones PN no se realizan dopando un cristal P y otro N y después uniéndolos, sino que se dopan zonas contiguas del mismo cristal (en un artículo futuro hablaré de las principales técnicas de dopado de semiconductores).

Cuando tenemos una unión PN, los electrones de la zona N que se encuentran más cerca de la zona P tienden a ocupar los huecos existentes en la zona P. Este efecto no hace que el cristal pase a estar cargado (no gana ni pierde electrones), pero sí crea zonas cargadas eléctricamente dentro del mismo cristal. Al transferirse algunos electrones de la zona N a la P, la zona P queda cargada negativamente, mientras que la N queda cargada positivamente. Estas cargas, al igual que cualquier par de cargas opuestas, producen un campo eléctrico, en este caso interno al cristal. Este campo eléctrico modifica la estructura de bandas de energía dentro del cristal. Además, en la zona cercana a la unión, los electrones y los huecos otrora “libres” dejan de estarlo, produciendo una zona sin cargas que puedan producir conducción.

Realizando diferentes uniones PN se pueden construir todo tipo de componentes electrónicos (transistores bipolares PNP y NPN, transistores MOS-FET, etc.). Analizaremos en este artículo la estructura más simple que se puede realizar con estas uniones PN, el diodo.

El diodo (esquematizado como un triángulo con un segmento tangente a uno de sus ángulos) consta de una unión PN y un conector metálico unido a cada extremo de la unión. El diodo tiene la propiedad de dejar pasar la corriente eléctrica en un sentido, pero no en el otro, veamos por qué.

Cuando aplicamos un potencial superior a la región P que a la región N (conocido como polarización directa), la tensión externa se opondrá a la barrera de potencial interna debida a la unión. Superada una determinada diferencia de potencial externo, la barrera de potencial habrá desaparecido y los electrones de la zona N y los huecos de la zona P serán libres de desplazarse hacia las zonas opuestas, creando una corriente eléctrica neta. En otras palabras, en polarización directa el diodo es conductor.

Por el contrario, si la tensión aplicada externamente al diodo es del mismo signo que la barrera de potencial interna se dice que el diodo está polarizado inversamente. El terminal positivo de la pila atrae a los electrones del material N apartándolos de la unión, mientras que el negativo a trae a las cargas positivas del material P, apartándolos también de la unión. Se “agrava”, por tanto, en la unión, la ausencia de carga “libre”. En estas condiciones, el material se comporta como un buen aislante. Sin embargo, se forma una “corriente inversa de saturación” o “corriente de fuga” (a través de las parejas electrón-hueco creadas por excitación térmica) pero que resulta de valor prácticamente despreciable (del orden de nA) y dependiente únicamente de la temperatura. En otras palabras, podemos considerar que el diodo es aislante cuando se polariza inversamente.

 

 

Más información| Diodo de unión PN (quegrande.org); Teoría diodo (Universidad del País Vasco); Diodos (asifunciona.com)

Imagen| Símbolo diodo; Unión PN; Unión PN directa; Unión PN inversa

En QAH | Semiconductores: Dopantes y sus modificaciones en las bandas de energía; Introducción a la electrónica basada en semiconductores; Otras aplicaciones de la teoría de bandas: la conductividad

 

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