UNION PN SEMICONDUCTORES

Lo primero, si no sabes lo que son lo semiconductores y los tipos que hay, te recomendamos que antes de seguir leyendo vayas al siguiente enlace: Semiconductores.

 Como ya deberías saber hay dos tipos de semiconductores extrínsecos, los P y los N. Vamos hacer un repaso breve de los átomos y los semiconductores, necesario para entender la unión PN.

 Los átomos de dos elementos se pueden unir mediante enlaces covalentes en los que los electrones de valencia de un átomo se comparten con los electrones de valencia del otro átomo próximo a él en parejas de dos electrones.



 Fíjate en la imagen anterior, el átomo de silicio central(usado como semiconductor, aunque también se puede usar germanio), tiene su 4 electrones de valencia unidos con enlace covalente con un electrón de valencia de cada uno de los átomos de silicio de su alrededor, compartiendo los electrones en grupos de dos. Esto es un semiconductor puro de silicio.

 Recordar que un átomo tiene el mismo número de protones con carga positiva en el núcleo que de electrones, con carga negativa, girando a su alrededor. Esto hace que los átomos sean neutros eléctricamente. La carga de sus electrones se anula con la carga de sus protones.

 Si ha un átomo le quito un electrón quedará con carga positiva y se llamará ion positivo o catión.

 Si ha un átomo le añado un electrón, quedará cargado negativamente y se llamará ion negativo o anión.

Semiconductores del Tipo P y del Tipo N

 Los semiconductores extrínsecos del tipo N están formados por átomos de material semiconductor, Silicio o Germanio, al que se le añade impurezas con átomos de otro material con 5 electrones de valencia. Como los átomos del material semiconductor tienen 4 electrones de valencia y los átomos de la impurezas 5, se pueden formar 4 enlaces covalentes y  sobrará un electrón por cada átomo de impureza que quedará libre. Este electrón libre será el portador de electricidad. En los semiconductores del tipo N los electrones son los portadores de electricidad. Portadores mayoritarios = electrones.



Los semiconductores extrínsecos del tipo P son material semiconductor a los que se les añade átomos de impurezas con 3 electrones de valencia. En este caso cada átomo del material semiconductor solo podrá formar 3 enlaces con los átomos de impurezas. Los átomos semiconductores tienen un hueco esperando a que llegue un electrón para formar el enlace que le faltará. En este tipo de semiconductores los huecos serán los portadores para la conducción. Portadores mayoritarios = huecos.

 En la imagen anterior, los círculos amarillos representan el núcleo de un átomo de Silicio o Germanio, es decir los átomos del semiconductor puro, que tienen 4 electrones de valencia que pueden formar enlaces covalentes.

 El material semiconductor N de la izquierda esta dopado con impurezas de un material que tiene 5 electrones de valencia. El material semiconductor P de la derecha está dopado con impurezas de un material formado por átomos con 3 electrones de valencia.

 Un hueco atraerá siempre que pueda un electrón de un átomo próximo para rellenarlo y tener todos los enlaces hechos. Por eso podemos suponer que los huecos tienen carga positiva, al contrario que los electrones que tienen carga negativa. Ya sabes, cargas opuestas se atraen.

 Tanto el material N como el P son eléctricamente neutros por que la cantidad de protones en total es igual a la cantidad de electrones. Antes de la unión son neutros, después, como veremos más adelante, no.

 Insistimos, si esto no te ha quedado claro vete al enlace de semiconductores para entenderlo mejor.

Unión PN

 Se podría pensar que la unión se puede formar simplemente pegando un material semiconductor N con otro P, pero esto no es así, además de estar en contacto, deben tener contacto eléctrico.

 Lógicamente, como ya dijimos antes, la suma de las cargas de los dos cristales, antes de la unión, será neutra.

 Resumiendo. En la zona N tenemos electrones libres y en la zona P tenemos huecos en espera de ser rellenados por electrones.



  Si ahora los unimos, los electrones del material N, que están más cerca de la franja de la unión, serán atraídos por los huecos de la zona P que están también más cerca de la unión. Estos electrones pasarán a rellenar los huecos  de las impurezas más cercanos a la franja de unión.

 Un átomo de impureza de la zona P, que era neutro, ahora tiene un electrón más llegado de la zona N para formar enlace en el hueco que tenía. Este átomo de impureza ahora quedará cargado negativamente (un electrón más) y se convertirá un anión o ión negativo.

 Así mismo un átomo de impureza de la zona N quedará cargado positivamente por que se le ha ido un electrón y se convertirá un catión o inón positivo.

 Esto provoca que en la franja de la unión PN tengamos por un lado carga negativa y por el otro positiva. Negativa en la zona P, que antes de la unión era neutra y positiva en la zona N, que antes también era neutra. Esta franja con cationes y aniones se llama región de agotamiento o zona de difusión.



 Llega un momento que un nuevo electrón de la zona N intente pasar a la zona P y se encontrará con la carga negativa de la región de agotamiento en P (los iones negativos formados), que le impedirán el paso (cargas iguales se repelen). En este momento se acabará la recombinación electrón-hueco y no habrá más conducción eléctrica.

 Además la zona N que antes era neutra ahora tendrá carga positiva, ya que han se han ido de ella electrones, y la zona P, que antes también era neutra, ahora será negativa, ya que ha recogido los electrones que abandonaron la otra zona. La unión PN deja de ser eléctricamente neutra.



 Aún así la parte N, fuera de la región de agotamiento, seguirá teniendo electrones libres que no formaron enlaces con átomos de semiconductor puro, y la parte P seguirá teniendo huecos. Por eso en la imagen anterior ves el signo menos en la zona N como el más abundante y el signo + en la P como más abundante (portadores mayoritarios). OJO en la región de agotamiento habrá cationes y aniones, es decir un potencial positivo a un lado y un potencial negativo al otro, por lo que entre N y P habrá una diferencia de potencial (d.d.p.) o tensión ya que la unión ahora ya no es eléctricamente neutra.

 Ahora podemos imaginar el conjunto de la unión PN como una pila de unos 0,3V o 0,6V dependiendo si el semiconductor puro son átomos de germanio o silicio respectivamente. Esta supuesta "pila" tendrá su carga positiva en la zona N y la carga negativa en la zona P. A esta unión ya la podemos llamar diodo, que es como se conoce en electrónica.

 Pero....¿Qué necesitaremos para que más electrones de la zona N puedan pasar a la zona P? Pues necesitaremos suministrarles energía suficiente para que atraviesen la región de agotamiento, es decir energía para que sean capaces de saltar esa barrera o superar la tensión producida o vencer la fuerza de repulsión de los iones negativos de la zona P, de lo contrario, no habrá conducción. Vamos a suministrar esta energía conectando la unión o el diodo a una fuente de energía, por ejemplo una pila o fuente de alimentación.

 Polarizar, en general, es aplicar a los extremos de un componente una tensión continua, por ejemplo mediante una fuente de alimentación o pila.

 Polarización Directa del Diodo

 En este caso aplicamos el polo positivo de la fuente  a la zona P y el polo negativo a la zona N.

 

 Si te fijas los electrones del polo negativo de la batería repele los electrones (portadores mayoritarios) de la zona N, dándoles más fuerza para atravesar la barrera o región de agotamiento y esta disminuye. Además, en este caso, inyectamos electrones procedentes de la pila en la zona N aumentando los portadores mayoritarios. Hemos disminuido el potencial positivo de esta zona inyectando electrones y por lo tanto habramos disminuido la zona de difusión, por lo que los electrones de N ya pueden pasar a la zona P.

  En la zona P, la carga positiva repele los huecos haciendo que estos se acerquen a la región de agotamiento y atraigan aún más a los electrones de la zona N. En este caso metemos huecos en la zona P aumentando los portadores mayoritarios y disminuyendo el potencial Negativo que tenía. Igualmente en este caso hemos disminuido el potencial de la zona de difusión.

 Lo que sucede, en definitiva, es que se disminuye el ancho de la zona de agotamiento que había en la unión (disminución de la tensión de la región) y esto provoca que sea más fácil pasar a los electrones de la zona N a la P para rellenar los huecos. Ahora los electrones inyectados por la pila tendrán la suficiente energía para atravesar la región de agotamiento y pasar a la zona P produciéndose corriente eléctrica por el semiconductor PN mientras tengamos la pila conectada.

 En definitiva el diodo, unión PN o semiconductor PN, como queramos llamarlo, se comporta como un conductor de la corriente eléctrica en polarización directa. Mientras este conectado a la fuente de alimentación o pila, la bombilla del circuito lucirá. Para que la unión empiece a ser conductora hay que ponerle a una pequeña tensión en polarización directa.

Polarización Inversa

 En este tipo de conexión el polo positivo de la pila se conecta al N y el negativo al P.



 Al inyector electrones en la zona P, rellenarán los huecos, portadores mayoritarios de la zona P, y estos electrones formarán más iones negativos o aniones al rellenar los huecos de los enlaces que todavía no se habían rellanado y la región de agotamiento aumentará, aumentaremos el potencial negativo en esta zona o lo que es lo mismo, tendremos mayor d.d.p. o tensión en la unión. En estas condiciones los electrones de la zona N lo tienen cada vez más difícil pasar a la zona P con lo que la unión PN se comporta como un aislante en polarización inversa.

 Todo esto esta muy bien, pero...¿Qué pasará si seguimos metiendo mas electrones, o lo que es lo mismo si seguimos aumentando la tensión de la fuente de alimentación en polarización inversa?.

Efecto Avalancha

 Llegará un momento que todos los electrones rellenen los huecos de la Zona P y si metemos más (aumentando la tensión de la fuente de alimentación) estos últimos quedarán como electrones libres en la zona P.

 En la zona N también estamos metiendo huecos que los ocuparán las electrones libres que tenía esta zona. Al meter más huecos y que se rellenen todos con los electrones libres que tenía, los siguientes huecos que metamos quedarán libres esperando electrones para ser rellenados.

 En estas condiciones, los electrones libres que estamos inyectando en la zona P mediante la fuente de alimentación, serán atraídos por los huecos inyectados en la zona N y atravesarán la región de agotamiento con mucha energía. Recuerda que todo esto lo estamos produciendo aumentando la tensión o d.d.p. de la fuente. Además los iones negativos formados en P les dan más energía en su repulsión. Tienen tanta energía que incluso antes de ocupar un hueco pueden chocar con un átomo de la zona P y romper los enlaces existente, liberando más electrones y estos a su vez romper otros enlaces de otros átomos, liberando más electrones todavía. Es un efecto en cadena, en el que se produce una avalancha de electrones en unos pocos instantes y que hace que se rompa la unión PN por que se genera una gran cantidad de corriente. Se estropearía el diodo. La tensión a la que se llega al efecto avalancha se llama tensión de ruptura.

 Recuerda que en este tipo de polarización la tensión es contraria a la directa (conexión al revés), por eso se llama tensión inversa.

 Veamos como sería la curva de funcionamiento de una unión PN o diodo semiconductor:



 En polarización directa, al poner la unión a una pequeña tensión (tensión umbral). Se comporta como un conductor, a mayor tensión, mayor corriente circulará por el circuito.

 En polarización inversa no es conductor hasta que no se llaga a la zona de ruptura. En ese momento puedes comprobar en la gráfica, que aumenta mucho la intensidad, aunque no aumentemos la tensión. Esto produce que el diodo se queme. De todas formas, hay algunos diodos que aprovecha este efecto avalancha controlado para su funcionamiento, como es el caso del diodo zener.

 Si quieres aprender el funcionamiento práctico del diodo te recomendamos el siguiente enlace: Diodo.