2.6: El cruce P-N

Sin embargo, un solo cristal semiconductor fabricado con material tipo P en un extremo y material de tipo N en el otro en la figura siguiente (b) tiene algunas propiedades únicas. El material tipo P tiene portadores de carga de mayoría positiva, agujeros, que son libres de moverse alrededor de la red cristalina. El material de tipo N tiene portadores móviles de mayoría negativa, electrones. Cerca de la unión, los electrones materiales de tipo N se difunden a través de la unión, combinándose con agujeros en material tipo P. La región del material tipo P cerca de la unión adquiere una carga neta negativa debido a los electrones atraídos. Dado que los electrones partieron de la región de tipo N, adquiere una carga positiva localizada. La delgada capa de la red cristalina entre estas cargas se ha agotado de portadores mayoritarios, por lo que se conoce como la región de agotamiento. Se convierte en material semiconductor intrínseco no conductor. En efecto, tenemos casi un aislante que separa las regiones conductoras dopadas P y N.

a) Los bloques de P y N semiconductores en contacto no tienen propiedades explotables. (b) El monocristal dopado con impurezas de tipo P y N desarrolla una barrera potencial.

Esta separación de cargas en la unión PN constituye una barrera potencial. Esta barrera potencial debe ser superada por una fuente de voltaje externa para hacer que la unión conduzca. La formación de la unión y barrera potencial ocurre durante el proceso de fabricación. La magnitud de la barrera potencial es una función de los materiales utilizados en la fabricación. Las uniones PN de silicio tienen una barrera potencial mayor que las uniones de germanio.

En la Figura siguiente (a) la batería está dispuesta de manera que el terminal negativo suministre electrones al material de tipo N. Estos electrones se difunden hacia la unión. El terminal positivo elimina electrones del semiconductor tipo P, creando agujeros que se difunden hacia la unión. Si el voltaje de la batería es lo suficientemente grande como para superar el potencial de unión (0.6V en Si), los electrones de tipo N y los agujeros P se combinan aniquilándose entre sí. Esto libera espacio dentro de la celosía para que más portadores fluyan hacia la unión. Así, las corrientes de portadores mayoritarios tipo N y tipo P fluyen hacia la unión. La recombinación en la unión permite que una corriente de batería fluya a través del diodo de unión PN. Se dice que tal cruce está sesgado hacia adelante.

(a) La polarización directa de la batería repele a los portadores hacia la unión, donde la recombinación resulta en corriente de la batería (b) La polarización inversa de la batería atrae a los portadores hacia los terminales de la batería, lejos del cruce El grosor de la región de agotamiento aumenta. No hay flujos de corriente de batería sostenidos.

Si la polaridad de la batería se invierte como en la Figura anterior (b) los portadores mayoritarios son atraídos lejos de la unión hacia los terminales de la batería. El terminal positivo de la batería atrae a los portadores mayoritarios tipo N, electrones, lejos de la unión. El terminal negativo atrae a portadores mayoritarios tipo P, agujeros, lejos de la unión. Esto aumenta el grosor de la región de agotamiento no conductora. No hay recombinación de portadores mayoritarios; por lo tanto, no hay conducción. Esta disposición de polaridad de la batería se denomina polarización inversa.

El símbolo esquemático del diodo se ilustra en la Figura siguiente (b) correspondiente a la barra semiconductora dopada en (a). El diodo es un dispositivo unidireccional. La corriente de electrones solo fluye en una dirección, contra la flecha, correspondiente a la polarización hacia adelante. El cátodo, barra, del símbolo de diodo corresponde al semiconductor de tipo N. El ánodo, flecha, corresponde al semiconductor tipo P. Para recordar esta relación, N ot-pointing (bar) en el símbolo corresponde al semiconductor de tipo N. P ointing (flecha) corresponde al tipo P.

(a) Unión PN polarizada hacia delante, (b) Símbolo esquemático de diodo correspondiente (c) Curva característica Diodo de silicio I vs V.

Si un diodo está polarizado hacia delante como en la Figura anterior (a), la corriente aumentará ligeramente a medida que el voltaje se incremente desde 0 V. En el caso de un diodo de silicio fluye una corriente medible cuando el voltaje se acerca a 0.6 V en la Figura anterior (c). A medida que el voltaje aumenta más allá de 0.6 V, la corriente aumenta considerablemente después de la rodilla. Aumentar el voltaje mucho más allá de 0.7 V puede resultar en una corriente lo suficientemente alta como para destruir el diodo. El voltaje directo, V _F, es una característica del semiconductor: 0.6 a 0.7 V para silicio, 0.2 V para germanio, algunos voltios para diodos emisores de luz (LED). La corriente directa varía desde unos pocos mA para diodos de contacto puntual hasta 100 mA para diodos de señal pequeños hasta decenas o miles de amperios para diodos de potencia.

Si el diodo tiene polarización inversa, solo fluye la corriente de fuga del semiconductor intrínseco. Esto se traza a la izquierda del origen en la Figura anterior (c). Esta corriente solo será tan alta como 1 µA para las condiciones más extremas para diodos de señal pequeños de silicio. Esta corriente no aumenta apreciablemente al aumentar la polarización inversa hasta que el diodo se descompone. En la avería, la corriente aumenta tanto que el diodo será destruido a menos que una alta resistencia en serie limite la corriente. Normalmente seleccionamos un diodo con una clasificación de voltaje inverso más alta que cualquier voltaje aplicado para evitar esto. Los diodos de silicio suelen estar disponibles con clasificaciones de ruptura inversa de 50, 100, 200, 400, 800 V y superiores. Es posible fabricar diodos con una clasificación menor de unos pocos voltios para su uso como estándares de voltaje.

Anteriormente mencionamos que la corriente de fuga inversa de menos de µA para diodos de silicio se debió a la conducción del semiconductor intrínseco. Esta es la fuga que puede explicarse por la teoría. La energía térmica produce pocos pares de agujeros de electrones, que conducen la corriente de fuga hasta la recombinación. En la práctica real, esta corriente predecible es solo una parte de la corriente de fuga. Gran parte de la corriente de fuga se debe a la conducción superficial, relacionada con la falta de limpieza de la superficie del semiconductor. Ambas corrientes de fuga aumentan al aumentar la temperatura, acercándose a un µA para diodos de silicio pequeños.

Para el germanio, la corriente de fuga es órdenes de magnitud mayor. Dado que los semiconductores de germanio rara vez se usan hoy en día, esto no es un problema en la práctica.

Revisar

• Las uniones PN se fabrican a partir de una pieza monocristalina de semiconductor con una región de tipo P y tipo N en proximidad en una unión.
• La transferencia de electrones desde el lado N de la unión a agujeros aniquilados en el lado P de la unión produce un voltaje de barrera. Esto es de 0.6 a 0.7 V en silicio, y varía con otros semiconductores.
• Una unión PN con polarización directa conduce una corriente una vez que se supera el voltaje de barrera. El potencial aplicado externo fuerza a los portadores mayoritarios hacia la unión donde se produce la recombinación, permitiendo el flujo de corriente.
• Una unión PN polarizada inversa no conduce casi ninguna corriente. El sesgo inverso aplicado atrae a los portadores mayoritarios lejos de la unión. Esto aumenta el grosor de la región de agotamiento no conductora.
• Las uniones PN polarizadas inversas muestran una corriente de fuga inversa dependiente de la temperatura. Esto es menor que un µA en diodos de silicio pequeños.