7.1.6: Diodos, LEDs y Células Solares

Los diodos son dispositivos semiconductores que permiten que la corriente fluya en una sola dirección. Los diodos actúan como rectificadores en circuitos electrónicos, y también como emisores de luz eficientes (en LEDs) y células solares (en fotovoltaica). La estructura básica de un diodo es una unión entre un semiconductor de tipo p y un semiconductor de tipo n, llamada unión p-n. Típicamente, los diodos están hechos de un solo cristal semiconductor en el que se introducen los dopantes p y n.

Primer plano de un diodo, mostrando el cristal semiconductor de forma cuadrada (objeto negro a la izquierda) (John Maushammer, Wikipedia, CC-BY-SA)

Si el lado n de un diodo está polarizado a un potencial positivo y el lado p está polarizado negativo, los electrones se dibujan hacia el lado n y los agujeros en el lado p. Esto refuerza el potencial incorporado de la unión p-n, el ancho de la capa de agotamiento aumenta y fluye muy poca corriente. Esta dirección de polarización se conoce como “sesgo hacia atrás”. Si el diodo está polarizado de otra manera, los portadores son conducidos a la unión donde se recombinan. El campo eléctrico disminuye, las bandas se aplanan y la corriente fluye fácilmente ya que la polarización aplicada disminuye el potencial incorporado. Esto se llama “sesgo hacia adelante”.

Electrones (rojo) y agujeros (blancos) en un diodo con polarización directa. (S-kei. Wikipedia, CC-BY-SA)

La figura de la izquierda ilustra un diodo polarizado hacia delante, a través del cual la corriente fluye fácilmente. A medida que los electrones y los agujeros son conducidos hacia la unión (flechas negras en la figura inferior izquierda), se recombinan (flechas azules hacia abajo), produciendo luz y/o calor. El nivel de Fermi en el diodo se indica como la línea punteada. Hay una caída en el nivel de Fermi (igual al sesgo aplicado) a través de la capa de agotamiento. La curva i-V de diodo correspondiente se muestra a la derecha. La corriente aumenta exponencialmente con el voltaje aplicado en la dirección de polarización directa, y hay muy poca corriente de fuga bajo polarización inversa. A polarización inversa muy alta (típicamente decenas de voltios) los diodos sufren ruptura de avalancha y una gran corriente inversa fluye.

Curva de diodo i-V

Un diodo emisor de luz o LED es un tipo de diodo que convierte parte de la energía de la recombinación de electrones en luz. Este proceso de recombinación radiativa siempre ocurre en competencia con la recombinación no radiativa, en la que la energía simplemente se convierte en calor. Cuando se emite luz desde un LED, la energía fotónica es igual a la energía de banda prohibida. Debido a esto, las luces LED tienen colores puros y espectros de emisión estrechos en relación con otras fuentes de luz, como las luces incandescentes y fluorescentes. Las luces LED son energéticamente eficientes y, por lo tanto, suelen ser frías al tacto.

Diodo emisor de luz (LED). (S-kei. Wikipedia, CC-BY-SA)

Los semiconductores de espacio directo como GaAs y GaP tienen luminiscencia eficiente y también son buenos absorbentes de luz. En los semiconductores de brecha directa, no hay cambio de momento involucrado en la creación de huecos de electrones o recombinación. Es decir, los electrones y los agujeros se originan en el mismo valor del vector de ondas de impulso k, que encontramos en el Ch. 6. k está relacionado con el impulso (también una cantidad vectorial) por p = h k/2π. En un semiconductor de separación directa, la parte superior de la banda de valencia y la parte inferior de la banda de conducción suelen ocurrir en k = 0. Dado que el impulso del fotón es cercano a cero, la absorción y emisión de fotones están fuertemente permitidas (y por lo tanto cinéticamente rápidas). Los semiconductores polares como GaAs, GaN y CdSe son típicamente materiales de separación directa. Los semiconductores de separación indirecta como Si y Ge absorben y emiten luz muy débilmente debido a que el máximo de banda de valencia y el mínimo de banda de conducción no ocurren en el mismo punto en el espacio k. Esto significa que también se debe crear o aniquilar una vibración de celosía (un fonón) para conservar el impulso. Dado que este proceso de “tres cuerpos” (electrón, agujero, fonón) tiene baja probabilidad, la recombinación radiativa de electrones y agujeros es lenta en relación con la desintegración no radiativa -la termalización de la energía electrón-agujero como vibraciones de retícula- en semiconductores de brecha indirecta. Por lo tanto, la regla de selección de momento evita la absorción/emisión de luz y no hay LEDs de Si puros o láseres basados en Si.

Prof. Shuji Nakamura sosteniendo un LED azul.

Si bien los LED rojos, naranjas, amarillos y verdes se pueden fabricar con relativa facilidad a partir de soluciones sólidas de Alp-GaAs, inicialmente fue muy difícil fabricar LED azules porque el mejor semiconductor de separación directa con una banda prohibida en el rango de energía correcto es un nitruro, GaN, que es difícil de fabricar y dopar tipo p. Trabajando en Nichia Corporation en Japón, Shuji Nakamura logró desarrollar un proceso manufacturable para P-gan, que es la base del LED azul. Debido a la importancia de este trabajo en el desarrollo del almacenamiento de información (tecnología Blu-Ray) y la iluminación LED de espectro completo y de eficiencia energética, Nakamura compartió el Premio Nobel de Física 2014 con Isamu Asaki y Hiroshi Amano, ambos habían hecho contribuciones anteriores al desarrollo de diodos GaN.

Una célula solar, o célula fotovoltaica, convierte la luz absorbida en una unión p-n directamente en electricidad por el efecto fotovoltaico. La energía fotovoltaica es el campo de la tecnología y la investigación relacionada con el desarrollo de células solares para la conversión de energía solar en electricidad. En ocasiones el término célula solar se reserva para dispositivos destinados específicamente a capturar energía de la luz solar, mientras que el término célula fotovoltaica se usa cuando la fuente de luz no está especificada.

Efecto fotovoltaico en una unión semiconductora p-n. (S-kei. Wikipedia, CC-BY-SA)

La fotocorriente en las células solares de unión p-n fluye en la dirección de polarización inversa del diodo. En la oscuridad, la célula solar simplemente actúa como un diodo. A la luz, la fotocorriente se puede considerar como una fuente de corriente constante, que se suma a la característica i-V del diodo. La relación entre la corriente oscura y la luz en una célula fotovoltaica se muestra en el diagrama de la izquierda.

Característica de corriente-voltaje de una célula solar en la oscuridad y bajo iluminación con luz de banda prohibida. La fotocorriente de cortocircuito se indica como i sc, y la fototensión de circuito abierto es V foto. La potencia máxima generada por la célula solar está determinada por el área de la caja naranja.

El campo eléctrico incorporado de la unión p-n separa e ^- h ⁺ pares que se forman por absorción de luz de banda prohibida en la región de agotamiento. Los electrones fluyen cuesta abajo, hacia el lado tipo n de la unión, los agujeros fluyen cuesta arriba hacia el lado p. Si hν ≥ E _gap, la luz puede ser absorbida promoviendo un electrón de la banda de valencia a la banda de conducción. Cualquier exceso de energía se termaliza rápidamente. Luz con hν > E _g así puede almacenar solo el valor de E _g de energía en un par e ^- h ⁺. Si la luz es absorbida fuera de la región de agotamiento, es decir, en el lado n o p de la unión donde no hay campo eléctrico, los portadores minoritarios deben difundir en la unión para ser recolectados. Este proceso ocurre en competencia con la recombinación electrón-hueco. Debido a que los átomos de impurezas y los defectos de la red hacen centros de recombinación eficientes, los semiconductores utilizados en las células solares (especialmente los materiales de brecha indirecta como el Si, que debe ser relativamente grueso para absorber la mayor parte del espectro solar) deben ser muy puros. La mayor parte del costo de las células solares de silicio está asociado con el proceso de purificación de silicio elemental y crecimiento de grandes cristales individuales a partir de la masa fundida.

En la curva I-v del fotodiodo anterior, la _foto V es típicamente solo aproximadamente el 70% de la _{brecha E de energía de banda prohibida}. La fotocorriente está limitada por el flujo de fotones, la tasa de recombinación y la reemisión de luz absorbida. ^[6] El área del rectángulo naranja indica la energía generada por la célula solar, la cual puede calcularse como P = i x V. En buenas células solares monocristalinas o policristalinas hechas de Si, GaAs, CdTe, CuIn _x Ga _1-x Se ₂, o (CH ₃ NH ₃) PbI ₃ el rendimiento cuántico (la relación de fotocorriente de cortocircuito a flujo de fotones) está cerca de la unidad.

El circuito equivalente de una célula solar de unión p-n, lo que da como resultado la curva i-V “ligera” mostrada en la figura anterior. La célula solar es efectivamente un diodo con una fuente de corriente de polarización inversa proporcionada por electrones y agujeros generados por luz. La resistencia de derivación (R sh) en el circuito equivalente representa la recombinación parásita de electrón-hueco. Se necesita una alta resistencia a la derivación (baja tasa de recombinación) y baja resistencia en serie (R s) para una alta eficiencia de las células solares.

Las células solares tienen muchas aplicaciones actuales. Las celdas individuales se utilizan para alimentar dispositivos pequeños como calculadoras electrónicas. Los arreglos fotovoltaicos generan una forma de electricidad renovable, particularmente útil en situaciones donde la energía eléctrica de la red no está disponible, como en sistemas de energía de área remota, satélites que orbitan la Tierra y sondas espaciales, radioteléfonos remotos y aplicaciones de bombeo de agua. La electricidad fotovoltaica también se despliega cada vez más en sistemas eléctricos conectados a la red.

El costo de la fotovoltaica instalada (calculado sobre una base por vatio) ha disminuido en la última década a una tasa de alrededor del 13% anual, y ya ha alcanzado la paridad de la red en Alemania y en varios otros países. ^[7] La paridad de la red fotovoltaica se anticipa en los mercados eléctricos de Estados Unidos en el marco temporal de 2020 ^[8] Un factor importante en el costo progresivamente menor de la energía fotovoltaica es el aumento constante de la eficiencia de las células solares, que se muestra en el gráfico de la derecha. Las células solares de mayor eficiencia requieren menos área para entregar la misma cantidad de energía, y esto reduce los costos de “equilibrio del sistema” como cableado, montaje en techo, etc., que escalan como el área de los paneles solares. El avance hacia una mayor eficiencia refleja procesos mejorados para la fabricación de materiales fotovoltaicos como silicio y arseniuro de galio, así como el descubrimiento de nuevos materiales. Las células solares de silicio son una tecnología madura, por lo que ahora están en la parte plana de la curva de aprendizaje y se acercan a sus máximas eficiencias teóricas. Las tecnologías más nuevas, como la fotovoltaica orgánica, las células solares de puntos cuánticos y las células de perovskita de haluro de plomo, todavía se encuentran en la parte ascendente de la curva de aprendizaje.

Cronograma reportado de eficiencias de conversión de energía de células solares desde 1976 (Laboratorio Nacional de Energía Renovable)

Un transistor de efecto de campo (FET) es un transistor que utiliza un campo eléctrico para controlar el ancho de un canal conductor y, por lo tanto, la corriente en un material semiconductor. Se clasifica como transistor unipolar, en contraste con los transistores bipolares.

Los transistores de efecto de campo funcionan como amplificadores de corriente. La estructura típica de los FET basados en SI es aquella en la que dos regiones de tipo n (la fuente y el drenaje) están separadas por una región de tipo p. Un aislante de óxido sobre la región de tipo p separa un conductor de puerta metálica del semiconductor. Esta estructura se denomina FET (o MOSFET) de metal-óxido-semiconductor. Cuando se aplica voltaje entre la fuente y el drenaje, la corriente no puede fluir porque la unión n-p o p-n está polarizada hacia atrás. Sin embargo, cuando se aplica un potencial positivo a la puerta, los electrones son conducidos hacia la puerta, y localmente el semiconductor se “invierte” al tipo n. Entonces la corriente fluye fácilmente entre la fuente de tipo n y drena a través del canal n. El flujo de corriente entre la fuente y el drenaje es muchas veces mayor que la corriente a través de la puerta, y así el FET puede actuar como amplificador. El flujo de corriente también puede representar un “1” lógico, por lo que los FET también se utilizan en la lógica digital.

Sección transversal de un MOSFET tipo n

En dispositivos electrónicos como los microprocesadores, los transistores de efecto campo se mantienen en estado apagado la mayor parte del tiempo para minimizar la corriente de fondo y el consumo de energía. El FET que se muestra arriba, que tiene regiones de fuente y drenaje de tipo n, se llama transistor NMOS. En un transistor PMOS, las regiones de fuente y drenaje son de tipo p y la puerta es de tipo n. En los circuitos integrados CMOS (semiconductor de óxido de metal complementario) se utilizan transistores tanto NMOS como PMOS. Los circuitos CMOS están construidos de tal manera que todos los transistores PMOS deben tener una entrada de la fuente de voltaje o de otro transistor PMOS. Del mismo modo, todos los transistores NMOS deben tener una entrada desde tierra o desde otro transistor NMOS. Esta disposición da como resultado un bajo consumo de energía estática.

Los transistores son más útiles en el rango de voltaje de puerta (indicado por el círculo rojo en la figura a la izquierda) donde la corriente fuente-drenaje cambia rápidamente. En esta región es posible efectuar un gran cambio en la corriente entre la fuente y el drenaje cuando se aplica una pequeña señal a la puerta. Una cifra importante de mérito para los FET es la pendiente subumbral, que es la pendiente de una parcela de log (actual) vs _puerta V. Una pendiente subumbral ideal es de una década de corriente por cada 60 mV de polarización de puerta. Por lo general, se puede lograr un cambio de una década en la corriente de fuente-drenaje con un cambio en el voltaje de la puerta de ~70 mV. El rendimiento de los FET como interruptores y amplificadores está limitado por la pendiente subumbral, que a su vez está limitada por la capacitancia de la puerta. Es deseable tener una capacitancia de puerta muy alta, lo que requiere un óxido aislante delgado, pero también tener una pequeña corriente de fuga, lo que requiere un óxido grueso. Un desafío actual en la industria de semiconductores es continuar escalando FET a dimensiones incluso más pequeñas a nanoescala mientras se mantienen valores aceptables de estos parámetros. Esto se está haciendo desarrollando nuevos materiales aislantes de puerta que tengan constantes dieléctricas más altas que el óxido de silicio y no sufran reacciones redox con silicio o con conductores de puerta metálicos. Solo unos pocos materiales conocidos (como el oxinitruro de hafnio y los silicatos de hafnio) actualmente cumplen con estos estrictos requisitos.