PN Junction Tutorial | Introducción a los diodos de unión PN

PN Junction Tutorial | Introducción a los diodos de unión PN

 

Introducción:

La conductividad eléctrica de un semiconductor, por ejemplo, silicio o germanio, depende de la concentración de portadores eléctricos. dentro de la banda de conducción. Las propiedades de la conductividad se basan en la cantidad de dopantes presentes en el proceso de dopaje. La conductividad del silicio se acumula en un factor 103 a temperatura ambiente mediante la adición de 1 átomo de boro por 105 átomos de silicio.

Un semiconductor de tipo N se crea dopando el cristal de silicio con impurezas pentavalentes como antimonio y se forma un semiconductor tipo P dopando el cristal de silicio con impurezas trivalentes como el boro en pequeñas concentraciones. Tanto el antimonio como el boro son las impurezas semiconductoras esenciales utilizadas en el proceso de dopaje; por lo tanto, se los conoce como “metaloides”. En el individuo, los semiconductores tipo N y tipo P son eléctricamente neutros.

La unión PN se crea en un único cristal semiconductor dopando un lado del cristal con átomos de impurezas aceptoras construyéndolo como tipo P y dopando el lado opuesto con átomos de impurezas donadores construyéndolo como tipo N. La región donde convergen el tipo P y el tipo N se conoce como unión PN.

En la región de la unión PN, los electrones en el material de tipo N dispersan la unión y se combinan con los agujeros en el material de tipo P. La región del material de tipo P que está cerca de la unión en el semiconductor adquiere la carga negativa de la lógica de que los electrones son atraídos por los agujeros. A medida que los electrones se alejan de la región de tipo N, adquiere la carga positiva. Por lo tanto, en la unión hay una inclinación para que los electrones libres se difundan en la región de tipo P y orificios a la región de tipo N y este proceso se denomina difusión. La capa delgada intercalada entre estas dos regiones está agotada y la mayoría de los portadores se conocen como la región de agotamiento.

El estado de equilibrio de la unión PN se define como el estado en el que se deja la unión PN sin ningún cable eléctrico externo potencial aplicado a ella. Esto también se puede definir adicionalmente como el estado de la condición de polarización de voltaje cero. El ancho de la región de agotamiento es increíblemente delgado, típicamente unos pocos miles de milímetros, la corriente puede no fluir a través del diodo.

Se notan diferentes propiedades, dependiendo del ancho de la región de agotamiento. Si el potencial positivo se aplica en tal distancia, el área de tipo P se vuelve positiva y, por lo tanto, el tipo N se vuelve negativo, los agujeros viajan hacia la tensión negativa. Igualmente los electrones se mueven hacia el voltaje positivo y saltan la capa de agotamiento. La densidad de carga del tipo P en la región de agotamiento cuenta con iones aceptor con carga negativa, como resultado la densidad de carga del tipo N se vuelve positiva.

La barrera potencial constituye la partición de los portadores de carga en el medio de la unión PN. Esta barrera potencial debe ser superada por un recurso de potencial eléctrico externo para hacer que la unión PN conduzca la corriente eléctrica. La formación de la unión y la barrera de potencial en el diodo semiconductor ocurre durante todo el proceso de fabricación del diodo semiconductor de unión PN. El grado de la barrera potencial puede ser una función de los materiales utilizados en la fabricación de diodos de unión PN. El diodo semiconductor de unión PN Silicon tiene una excelente barrera de potencialidad que los diodos de unión PN de germanio.

PN Junction

La unión PN es fabricado pegando tanto el tipo P como el tipo N dentro del mismo cristal semiconductor. La mayoría de los portadores de carga en tipo P son agujeros cargados positivamente y en tipo N son electrones cargados negativamente. La carga total en ambos lados de una unión PN debe ser igual y opuesta para mantener una condición de carga neutral alrededor de la unión debido al par electrón-agujero. La capa entre el tipo P y el tipo N donde los portadores de carga se replican varias veces se señala como región de agotamiento.

En el estado de equilibrio, no se produce ninguna conducción en la unión PN. La conducción de la unión PN implica la difusión de los portadores de carga mayoritarios y la deriva de los portadores minoritarios de carga. La conducción de corriente eléctrica en la unión PN implica físicamente tanto en la banda de conducción como en la banda de valencia. Una vez que se proporciona la batería externa, el flujo de electrones tiene lugar en la banda de conducción, mientras que el flujo de agujeros tiene lugar en la banda de valencia.

En condiciones de equilibrio de polarización cero, la concentración minoritaria de orificios y electrones se desplazará simplemente bajo la influencia de la incorporación del campo eléctrico E. La difusión de los portadores de carga mayoritarios tiene que atravesar la barrera de potencial VB de la unión PN formada como efecto de la región de agotamiento. Esto significará que los portadores de carga mayoritaria del tipo N y del tipo P deben al menos alcanzar la energía de los voltios de electrón de qVB (eV) antes de que superen la barrera y se difundan en una región de tipo P o de tipo N. El desplazamiento de los electrones desde el lado N de la unión PN a los orificios aniquilados en el lado P de la unión PN produce un potencial voltaje de barrera. El valor del voltaje de barrera es cercano a 0.6 a 0.7 V en silicio, 0.3 V en germanio y varía con los niveles de dopaje en diferentes semiconductores.

Los bloques de semiconductores tipo P y tipo N en contacto entre ellos no tienen propiedades explotables. La fuente de tensión externa debe atravesar la barrera potencial para que la unión PN conduzca la electricidad. Si una fuente de potencial está conectada de tal manera que el terminal positivo está conectado al lado P y el terminal negativo está conectado al lado N. El terminal negativo proporciona los electrones al tipo N para difundir hacia la capa de agotamiento. Igualmente, el terminal positivo elimina los electrones en el tipo P creando orificios que se difunden hacia la región de agotamiento. Si el suministro de la batería es lo suficientemente grande como para superar el voltaje de barrera, entonces la mayoría de los portadores de carga de tipo N y tipo P combinan y agotan la unión. Como resultado, se replica más cantidad de portadores de carga y fluye hacia la región de agotamiento siempre que el potencial aplicado sea mayor que la barrera potencial. Por lo tanto, la corriente de carga mayoritaria se realiza y fluye hacia la unión. Durante este enfoque, una vez que la corriente se realiza debido a los portadores de carga mayoritarios, se dice que la unión PN está polarizada.

Si los terminales de la batería están invertidos, entonces los portadores de carga mayoritaria de tipo N son atraídos por el terminal positivo de la unión PN y los agujeros son atraídos por el terminal negativo lejos de la unión PN. El ancho de la capa de agotamiento aumenta con el potencial aplicado, como resultado no tiene lugar la recombinación de los portadores de carga en la capa de agotamiento. Por lo tanto, no se produce la conducción de corriente eléctrica. Durante este enfoque, se dice que la unión PN tiene un sesgo inverso.

Construido en Potencial

La mayoría de los portadores de carga en la región de tipo N, es decir, los electrones pueden cruzar la unión para recombinarse con portadores de carga mayoritaria en la región de tipo P, es decir, agujeros. Como resultado, se acumula una carga negativa de espacio estático en la región de tipo P como resultado de la impureza trivalente. Los átomos de boro tienen una carga negativa estática a medida que liberan un orificio con carga positiva en la banda de valencia. Mientras que una carga espacial positiva se forma en la región de tipo N por las mismas razones. El pequeño volumen donde se crea esta carga espacial se denomina zona de carga espacial o zona de agotamiento. Como hay un potente campo eléctrico en este pequeño volumen, la densidad de los portadores de carga libres es despreciable en el estado de equilibrio térmico.

Si los semiconductores tipo P y N se acercan, una posible barrera potencial se desarrolla en la capa de agotamiento. De hecho, las cargas de espacio estáticas se acumulan en los bordes de la unión PN, las cargas positivas en la región de tipo N y las cargas negativas en la región de tipo P crean un campo eléctrico que varía de tipo N a tipo P, lo que evita difusión y recombinación adicional de electrones y agujeros. La difusión se detiene por la formación del campo eléctrico interno. Como resultado de la existencia de esta doble capa de cargas a cada lado de la unión PN, la barrera potencial varía bruscamente dentro de la zona de agotamiento y la diferencia de potencial Vd, llamada potencial de difusión o potencial incorporado, alcanza valores no despreciables. El potencial electrostático es constante en todo el cristal junto con la zona de carga espacial, porque este potencial tiene en cuenta no solo el campo eléctrico sino también la concentración de los portadores de carga. El potencial incorporado debido a la concentración de portadores de carga compensa con precisión el potencial electrostático.

El potencial incorporado o potencial de difusión es proporcional a la diferencia de las energías de Fermi de los dos semiconductores no acotados:

E = (1/q) * {EFp-EFn = (kT/q) ln {[NAND]/ni2

Donde

  • E es la tensión de unión de polarización cero
  • (kT/q) la tensión térmica de 26 mV a temperatura ambiente.
  • NA y NB son las concentraciones de impurezas de átomos aceptores y átomos donantes
  • n es la concentración intrínseca.

 

The el potencial incorporado o el potencial de unión de un semiconductor es igual al potencial a través de la región de agotamiento en el estado de equilibrio térmico. Como el equilibrio térmico implica que la energía de Fermi es constante en todo el dispositivo de diodo PN. Por lo tanto, las energías de Fermi de la banda de conducción y la banda de valencia se desplazan hacia arriba o hacia abajo, y exhiben una elegante desviación a lo largo de la región de la capa de agotamiento. Como resultado, se muestra una diferencia de energía potencial electrostática entre las regiones de tipo P y N, igual a qVd.

El potencial externo necesario para superar el potencial de unión depende de la temperatura de funcionamiento y también el tipo de semiconductor. Incluso si el potencial externo no se aplica al semiconductor, existe cierto potencial de barrera debido al par electrón-hole.

La unión PN se forma en el semiconductor individual y los contactos eléctricos se colocan alrededor de la superficie del semiconductor para permitir la conexión eléctrica para la fuente de alimentación externa. Como resultado, el dispositivo final se denomina diodo de unión PN o diodo de señal.

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