Unión P-N

Unión P-N Concepto: Es la estructura fundamental de los componentes electrónicos comúnmente denominados semiconductores, principalmente diodos y transistores BJT.

Unión P-N es la estructura fundamental de los componentes electrónicos comúnmente denominados Semiconductores, principalmente Diodos y transistores BJT. Está formada por la unión metalúrgica de dos cristales, generalmente de Silicio (Si), aunque también se fabrican de Germanio (Ge), de naturalezas P y N según su composición a nivel atómico. Estos tipos de cristal se obtienen al "dopar" cristales de metal puro intencionadamente con impurezas, normalmente con algún otro metal o compuesto químico.

Silicio puro o "intrínseco"

Los cristales de Silicio están formados a nivel atómico por una malla cristalina basada en enlaces covalentes que se producen gracias a los 4 electrones de valencia del átomo de Silicio, junto con esto existe otro concepto que cabe mencionar, el de hueco, los huecos , como su nombre indica, son el lugar que deja un electrón cuando deja la capa de valencia y se convierte en un electrón libre, esto es lo que se conoce como pares electrón - hueco y su generación se debe a la temperatura, como una aplicación, al caso, de las leyes de la termodinámica. En un semiconductor puro (intrínseco) se cumple que, a temperatura constante, el número de huecos es igual al de electrones libres.

Semiconductores extrínsecos

Se denominan semiconductores extrínsecos a aquellos semiconductores puros a los que se les han introducido impurezas en pequeñísimas cantidades, con el propósito de aumentar su conducción. Estas impurezas suelen ser elementos pertenecientes a los grupos tercero y quinto de la tabla periódica y se mezclan con el germanio o el silicio en estado de fusión para que algunos átomos de estos sean sustituidos por átomos de impureza durante el proceso de cristalización. Este efecto se denomina “dopado” y según sea el elemento utilizado como impureza del grupo tercero o quinto el semiconductor se denomina de tipo P o N respectivamente.

Silicio "extrínseco" tipo "P"

Un Semiconductor tipo P se obtiene llevando a cabo un proceso de dopado, añadiendo un cierto tipo de compuesto, normalmente trivalente, es decir con 3 electrones en la capa de valencia, al semiconductor para poder aumentar el número de portadores de carga libres (en este caso positivos, huecos).Cuando el material dopante es añadido, éste libera los electrones más débilmente vinculados de los átomos del semiconductor. Este agente dopante es también conocido como material aceptador.

El propósito del dopaje tipo P es el de crear abundancia de huecos. En el caso del silicio, una impureza trivalente deja un enlace covalente incompleto, haciendo que, por difusión, uno de los átomos vecinos le ceda un electrón completando así sus cuatro enlaces. Así los dopantes crean los "huecos". Cada hueco está asociado con un ion cercano cargado negativamente, por lo que el semiconductor se mantiene eléctricamente neutro en general. No obstante, cuando cada hueco se ha desplazado por la red, un protón del átomo situado en la posición del hueco se ve "expuesto" y en breve se ve equilibrado por un electrón. Por esta razón un hueco se comporta como una cierta carga positiva. Cuando un número suficiente de aceptores son añadidos, los huecos superan ampliamente la excitación térmica de los electrones. Así, los huecos son los portadores mayoritarios, mientras que los electrones son los portadores minoritarios en los materiales tipo P. Los diamantes azules (tipo IIb), que contienen impurezas de boro (B), son un ejemplo de un semiconductor tipo P que se produce de manera natural.

Silicio "extrínseco" tipo "N"

Un Semiconductor tipo N se obtiene llevando a cabo un proceso de dopado añadiendo un cierto tipo de compuesto, normalmente pentavalente, es decir con 5 electrones en la capa de valencia, al semiconductor para poder aumentar el número de portadores de carga libres (en este caso, negativos, electrones libres).Cuando el material dopante es añadido, éste aporta sus electrones más débilmente vinculados a los átomos del semiconductor. Este tipo de agente dopante es también conocido como material donador ya que cede uno de sus electrones al semiconductor.

El propósito del dopaje tipo N es el de producir abundancia de electrones libres en el material. Para ayudar a entender como se produce el dopaje tipo N considérese el caso del silicio (Si). Los átomos del silicio tienen una valencia atómica de cuatro, por lo que se forma un enlace covalente con cada uno de los átomos de silicio adyacentes. Si un átomo con cinco electrones de valencia, tales como los del grupo VA de la tabla periódica (ej. fósforo (P), arsénico (As) o antimonio (Sb)), se incorpora a la red cristalina en el lugar de un átomo de silicio, entonces ese átomo tendrá cuatro enlaces covalentes y un electrón no enlazado. Este electrón extra da como resultado la formación de electrones libres, el número de electrones en el material supera ampliamente el número de huecos, en ese caso los electrones son los portadores mayoritarios y los huecos son los portadores minoritarios. A causa de que los átomos con cinco electrones de valencia tienen un electrón extra que "dar", son llamados átomos donadores.

Nótese que cada electrón libre en el semiconductor nunca está lejos de un ion dopante positivo inmóvil, y el material dopado tipo N generalmente tiene una carga eléctrica neta final de cero.

Uniones entre semiconductores de distinta naturaleza. Zona de transición y potencial de contacto.

Cuando se introducen en uno de los extremos de un semiconductor impurezas de tipo P y en el otro impurezas de tipo N, de forma que una zona del cristal pueda considerarse aceptadora y otra donadora, se forma una unión PN. Se tendrá igualmente una unión PN cuando unamos mediante aleación dos semiconductores de tipo P y N.

El razonamiento empleado para explicar el concepto de potencial de equilibrio también sirve en este caso. La diferencia de concentraciones a uno y a otro lado de la unión provoca el efecto de difusión y como consecuencia se forma progresivamente un campo eléctrico en las cercanías de la unión que se opone al efecto de difusión. Con el tiempo, campo eléctrico y difusión se equilibran resultando en las proximidades de la unión , una zona llamada “zona de transición” y un potencial de equilibrio llamado “potencial de reposo”.

Una unión PN en el instante justo en que se han unido los semiconductores P y N sin que se haya producido todavía el efecto de difusión.Suponiendo que a temperatura ambiente todos los átomos de impureza están ionizados, hemos representado los iones de la zona P como negativos, cuya carga está compensada por un hueco y los de la zona N como positivos con su carga compensada por un electrón.Los atomos ionizados estarán estadísticamente fijos en la red cristalina, mientras que los electrones y huecos serán fácilmente desplazables.

Debido a la gran diferencia de concentración de portadores del mismo tipo entre una y otra zona , se producirá el efecto de difusión, pasando los electrones de la zona N a la P y los huecos de la zona P a la N.

El traslado de huecos de la zona P a la N dejará en aquella átomos ionizados negativamente, esto es, sin compensar, de la misma forma, el traslado de electrones de la zona N a la P dejará en la primera atomos ionizados positivamente.
Con ello en la zona P se tendrá un exceso de cargas negativas y en la N de cargas positivas formándose un campo electrico en las inmediaciones de la unión que se opone al efecto de difusión. Puesto que el exceso de cargas negativas en la zona P dificultará progresivamente el traslado de huecos a la N y análogamente el exceso de cargas positivas en la zona N hará cada vez mas difícil el paso de electrones a la P.

Los atomos ionizados mas cercanos a la unión tanto de una zona como de otra serán los primeros en quedar desprovistos de sus portadores. Esto da lugar en las cercanias de la unión a una zona llamada Zona de transición en la que solo existen atomos ionizados y no portadores de carga.

Cuando se alcanza el equilibrio, los efectos de campo y difusión se ajustan entre si para que la corriente neta a través de la union sea nula.Como consecuencia de la aparición del campo electrico interno en el semiconductor, se establece una diferencia de potencial entre los dos extremos de la zona de transición que se denomina potencial de reposo y suele ser de unas decimas de voltio. En el caso particular que la unión PN se haya formado por aleación, el potencial de reposo se denomina también potencial de contacto. En cuanto a la zona de transición su anchura es del orden de la longitud de onda de la luz visible (0,5 micras).

Esta zona supone una barrera contra la fluencia de huecos de la zona P a la N, por lo que solo pasarán aquellos cuya energía sea mayor que la representada por la altura de la curva de potencial.De igual manera supone una barrera para los electrones mayoritarios de la zona N puesto que, siendo su carga de signo negativo se verán repelidos por un potencial menor.

Por otra parte el paso de los portadores minoritarios de ambas zonas a traves de la unión se ve facilitado por el efecto de campo electrico. Con todo ello tenemos cuatro componentes de intensidad que atraviesan la union :

• Ifp: corriente de huecos mayoritarias de la zona P con suficiente energia para superar la barrera de potencial de la union y pasar a la zona N.
• Ifn: corriente de electrones mayoritarios de la zona N con suficiente energía para superar la barrera de potencial de la unión y pasar a la zona P.
• Ign: corriente de electrones minoritarios de la zona P ( debidos a agitación termica) y cuyo paso a la zona N se ve facilitado por el efecto de campo electrico.
• Igp: corriente de huecos minoritarios de la zona N( debidos a agitación termica) y cuyo paso a la zona P se ve facilitado por el efecto de campo electrico.
  

Las corrientes Ifp y Ifn son del mismo signo ya que electrones y huecos se desplazan en sentidos contrarios formando la corriente If=Ifp+Ifn. De igual manera las corrientes generadas por agitación termica se suman dando como resultado Ig=Igp+Ign.
Puesto que ambas componentes If e Ig llevan sentidos opuestos y en circuito abierto la corriente total debe ser nula, las cuatro corrientes anteriores tienen que compensarse dos a dos.Así pues en ausencia del campo externo la unión PN ajusta los efectos de campo y difusión para que la corriente resultante sea nula.

Barrera interna de potencial

Al unir ambos cristales, se manifiesta una difusión de Electrones del Cristal n al p (Je).Al establecerse estas corrientes aparecen cargas fijas en una zona a ambos lados de la unión, zona que recibe diferentes denominaciones como barrera interna de potencial, zona de carga espacial, de agotamiento o empobrecimiento, de deplexión, de vaciado, etc.

A medida que progresa el proceso de difusión, la zona de carga espacial va incrementando su anchura profundizando en los cristales a ambos lados de la unión. Sin embargo, la acumulación de iones positivos en la zona n y de iones negativos en la zona p, crea un campo eléctrico (E) que actuará sobre los electrones libres de la zona n con una determinada fuerza de desplazamiento, que se opondrá a la corriente de electrones y terminará deteniéndolos.

Este campo eléctrico es equivalente a decir que aparece una diferencia de tensión entre las zonas p y n. Esta diferencia de potencial (V0) es de 0,7 V en el caso del silicio y 0,3 V si los cristales son de germanio.La anchura de la zona de carga espacial una vez alcanzado el equilibrio, suele ser del orden de 0,5 micras pero cuando uno de los cristales está mucho más dopado que el otro, la zona de carga espacial es mucho mayor.

Polarización directa de la unión P - N

En este caso, la batería disminuye la barrera de potencial de la zona de carga espacial, permitiendo el paso de la corriente de electrones a través de la unión; es decir, el diodo polarizado directamente conduce la electricidad.
Para que un diodo esté polarizado directamente, tenemos que conectar el polo positivo de la batería al ánodo del diodo y el polo negativo al cátodo. En estas condiciones podemos observar que:

• El polo negativo de la batería repele los electrones libres del cristal n, con lo que estos electrones se dirigen hacia la unión p-n.
•  El polo positivo de la batería atrae a los electrones de valencia del cristal p, esto es equivalente a decir que empuja a los huecos hacia la unión p-n.
• Cuando la diferencia de potencial entre los bornes de la batería es mayor que la diferencia de potencial en la zona de carga espacial, los electrones libres del cristal n, adquieren la energía suficiente para saltar a los huecos del cristal p, los cuales previamente se han desplazado hacia la unión p-n.
• Una vez que un electrón libre de la zona n salta a la zona p atravesando la zona de carga espacial, cae en uno de los múltiples huecos de la zona p convirtiéndose en electrón de valencia. Una vez ocurrido esto el electrón es atraído por el polo positivo de la batería y se desplaza de átomo en átomo hasta llegar al final del cristal p, desde el cual se introduce en el hilo conductor y llega hasta la batería.

De este modo, con la batería cediendo electrones libres a la zona n y atrayendo electrones de valencia de la zona p, aparece a través del diodo una corriente eléctrica constante hasta el final. Polarización directa: se produce cuando se conecta el polo positivo de la pila a la parte P de la unión PN y la negativa a la N.

Polarización inversa de la unión P - N

En este caso, el polo negativo de la batería se conecta a la zona p y el polo positivo a la zona n, lo que hace aumentar la zona de carga espacial, y la tensión en dicha zona hasta que se alcanza el valor de la tensión de la batería, tal y como se explica a continuación:

• El polo positivo de la batería atrae a los electrones libres de la zona n, los cuales salen del cristal n y se introducen en el conductor dentro del cual se desplazan hasta llegar a la batería. A medida que los electrones libres abandonan la zona n, los átomos pentavalentes que antes eran neutros, al verse desprendidos de su electrón en el orbital de conducción, adquieren estabilidad (8 electrones en la capa de valencia, ver semiconductor y átomo) y una carga eléctrica neta de +1, con lo que se convierten en iones positivos.
•  El polo negativo de la batería cede electrones libres a los átomos trivalentes de la zona p. Recordemos que estos átomos sólo tienen 3 electrones de valencia, con lo que una vez que han formado los enlaces covalentes con los átomos de silicio, tienen solamente 7 electrones de valencia, siendo el electrón que falta el denominado hueco. El caso es que cuando los electrones libres cedidos por la batería entran en la zona p, caen dentro de estos huecos con lo que los átomos trivalentes adquieren estabilidad (8 electrones en su orbital de valencia) y una carga eléctrica neta de -1, convirtiéndose así en iones negativos.
• Este proceso se repite una y otra vez hasta que la zona de carga espacial adquiere el mismo potencial eléctrico que la batería.

En esta situación, el diodo no debería conducir la corriente; sin embargo, debido al efecto de la temperatura se formarán pares electrón-hueco (ver semiconductor) a ambos lados de la unión produciendo una pequeña corriente (del orden de 1 μA) denominada corriente inversa de saturación. Además, existe también una denominada corriente superficial de fugas la cual, como su propio nombre indica, conduce una pequeña corriente por la superficie del diodo; ya que en la superficie, los átomos de silicio no están rodeados de suficientes átomos para realizar los cuatro enlaces covalentes necesarios para obtener estabilidad.

Esto hace que los átomos de la superficie del diodo, tanto de la zona n como de la p, tengan huecos en su orbital de valencia con lo que los electrones circulan sin dificultad a través de ellos. No obstante, al igual que la corriente inversa de saturación, la corriente superficial de fugas es despreciable.

Utilidad de las uniones

Las características de las uniones PN tienen su principal aplicación en la fabricación de diodos, que son dispositivos con una unión PN cuya principal función es la de conducir un flujo de corriente cuando la polarización es directa y bloquearla cuando está en inversa.Esta propiedad también se utiliza para rectificar corriente alterna a continua, con un diodo conectado en serie para media onda o un “puente de diodos” conectado a la entrada del circuito para rectificar la onda completa.

También se puede aprovechar la tensión de avalancha (tensión máxima de polarización inversa) para fabricar diodos especiales denominados zener, cuya característica es que la tensión de polarización inversa permanece constante al variar la intensidad del cátodo al ánodo en un determinado valor de fabricación, esta peculiaridad es útil para construir estabilizadores de tensión.
Los diodos foto-emisores son diodos con un semiconductor de arseniuro de galio, que se caracteriza por desprender energía en forma de radiación, esté o no en el espectro visible.

Los fotodiodos crean pares electrón-hueco al incidir la luz sobre ellos, transformándose la radiación en corriente.
Los transistores más populares son dos uniones en serie que pueden ser de tipo PNP o NPN. Su cualidad es que al fluir una corriente desde la unión central P a la unión tipo N (ejemplo de tipo NPN), fluye una intensidad mucho mayor desde la otra unión N hacia la N anterior de forma proporcional a la intensidad que insertemos. Con esta propiedad podemos construir amplificadores de tensión o de corriente.

Fuente

• www.electronicafacil.net
  
• www.comunidadelectronicos.com
  
• Biblioteca Pública Municipal Sandino.