7.1.5: Semiconductores p-n Juncciones

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Las uniones p-n de semiconductores son importantes en muchos tipos de dispositivos electrónicos, incluidos diodos, transistores, diodos emisores de luz y células fotovoltaicas. Para entender el funcionamiento de estos dispositivos, primero debemos mirar qué sucede con los electrones y los agujeros cuando juntamos semiconductores tipo p y tipo n. En la unión entre los dos materiales, los electrones móviles y los agujeros se aniquilan entre sí, dejando atrás las cargas fijas + y - de los dopantes donadores y aceptores de electrones, respectivamente. Por ejemplo, en el lado n de una unión p-n de silicio, los dopantes cargados positivamente son iones P ⁺ y en el lado p los dopantes cargados negativamente son B ^-. La presencia de estas cargas eléctricas no compensadas crea un campo eléctrico, el campo incorporado de la unión p-n. La región que contiene estas cargas (y una densidad muy baja de electrones móviles o huecos) se denomina región de agotamiento.

El campo eléctrico, que se crea en la región de agotamiento por recombinación electrón-hueco, repele tanto los electrones (en el lado n) como los agujeros (en el lado p) lejos de la unión. El gradiente de concentración de electrones y agujeros, sin embargo, tiende a moverlos en dirección opuesta por difusión. En equilibrio, el flujo de portadoras móviles es cero porque el flujo de migración impulsado por el campo es igual y opuesto al flujo de difusión impulsado por la concentración.

Cuando se unen semiconductores tipo p y tipo n, los electrones y los agujeros se aniquilan en la interfaz, dejando una región de agotamiento que contiene átomos donadores y aceptores cargados positiva y negativamente, respectivamente. En equilibrio, el nivel de Fermi (E _F) es uniforme en toda la unión. E _F se encuentra justo por encima de la banda de valencia en el lado tipo p de la unión y justo debajo de la banda de conducción en el lado tipo n.

El ancho de la capa de agotamiento depende de la longitud de apantallamiento en el semiconductor, que a su vez depende de la densidad del dopante. A niveles altos de dopaje, la capa de agotamiento es estrecha (decenas de nanómetros de ancho), mientras que a baja densidad de dopaje puede ser tan gruesa como 1 µm. La región de agotamiento es el único lugar donde el campo eléctrico es distinto de cero, y el único lugar donde se doblan las bandas. En otras partes del semiconductor el campo es cero y las bandas son planas.

En el medio de la unión p-n, la energía de nivel de Fermi, E _F, está a medio camino entre la banda de valencia, VB, y la banda de conducción, CB, y el semiconductor es intrínseco (n = p = n _i)