Diodo de unión pn: definición, formación, características, aplicaciones

La conductividad eléctrica de un material semiconductor está entre la de un conductor, como el cobre metálico, y la de un aislante, como el vidrio. Su resistividad disminuye a medida que aumenta la temperatura, mientras que los metales tienen el efecto inverso. Al agregar impurezas (dopaje) en la estructura cristalina, sus características de conducción pueden cambiarse de manera beneficiosa. Una unión semiconductora se forma cuando dos áreas dopadas distintas ocurren en el mismo cristal. Los diodos, los transistores y la mayoría de los dispositivos electrónicos contemporáneos se basan en el comportamiento de los portadores de carga, como electrones, iones y huecos de electrones en estas uniones. 

El silicio, el germanio, el arseniuro de galio y los elementos a lo largo de la llamada escalera metaloide de la tabla periódica son ejemplos de semiconductores. El arseniuro de galio es el segundo semiconductor más común después del silicio y se utiliza en diodos láser, células solares, circuitos integrados de frecuencia de microondas y otras aplicaciones. El silicio es un componente crucial en la producción de la mayoría de los circuitos eléctricos.

Unión PN

Dentro de un semiconductor, una unión pn es una interfaz o un límite entre dos tipos de materiales semiconductores, a saber, el tipo p y el tipo n.

El lado p, o lado positivo, del semiconductor tiene un exceso de huecos, mientras que el lado n, o lado negativo, tiene un exceso de electrones. El proceso de dopaje se utiliza para producir la unión pn en un semiconductor.

Formación de la Unión PN

Cuando utilizamos varios materiales semiconductores para formar una unión pn, habrá un límite de grano que evitará que los electrones se muevan de un lado al otro al dispersar electrones y huecos, razón por la cual empleamos el procedimiento de dopaje. 

Por ejemplo, considere una lámina semiconductora de silicio tipo p que es muy delgada. Una porción del Si de tipo p se cambiará a silicio de tipo n si se agrega una pequeña cantidad de impureza pentavalente. Esta hoja tendrá ahora un área de tipo p y de tipo n, así como una unión entre las dos. La difusión y la deriva son los dos tipos de procesos que ocurren después de la creación de una unión pn. Como todos sabemos, la concentración de huecos y electrones en los dos lados de una unión difiere, los huecos del lado p se difunden hacia el lado n y los electrones del lado n se difunden hacia el lado p. Esto hace que fluya una corriente de difusión a través de la conexión.

Cuando un electrón se difunde del lado n al lado p, deja un donante ionizado en el lado n, que es estacionario. En el lado n de la unión, se desarrolla una capa de carga positiva a medida que avanza el proceso. Cuando se mueve un agujero del lado p al lado n, queda un aceptor ionizado en el lado p, lo que hace que se desarrolle una capa de cargas negativas en el lado p de la unión. El área de agotamiento se define como una región de carga positiva y negativa a cada lado de la unión. Se genera una dirección de campo eléctrico de una carga positiva a una carga negativa debido a este área de carga espacial positiva en cada lado de la unión. Un electrón en el lado p de la unión viaja al lado n de la unión debido al campo eléctrico. La deriva es el nombre que se le da a este movimiento.

Condiciones de polarización para el diodo de unión pn

En un diodo de unión pn, hay dos regiones operativas:

1. tipo p
2. tipo n

El voltaje aplicado determina una de las tres condiciones de polarización para los diodos de unión pn:

• No se proporciona voltaje externo al diodo de unión pn mientras está en polarización cero .
• Polarización directa: el tipo p está conectado al terminal positivo del potencial de voltaje, mientras que el tipo n está conectado al terminal negativo.
• Polarización inversa: el tipo p está conectado al terminal negativo del potencial de voltaje, mientras que el tipo n está conectado al terminal positivo.

Sesgo directo

Se dice que la unión pn tiene polarización directa cuando el tipo p está conectado al terminal positivo de la batería y el tipo n al terminal negativo. El campo eléctrico incorporado en la unión pn y el campo eléctrico aplicado están en direcciones opuestas cuando la unión pn tiene polarización directa. 

El campo eléctrico resultante es más pequeño que el campo eléctrico incorporado cuando ambos campos eléctricos se suman. Como resultado, el área de agotamiento se vuelve menos resistente y más delgada. Cuando el voltaje aplicado es alto, la resistencia de la zona de agotamiento se vuelve insignificante. A 0,6 V, la resistencia del área de agotamiento en el silicio se vuelve absolutamente insignificante, lo que permite que la corriente fluya libremente sobre él.

Polarización inversa

Se dice que la unión pn tiene polarización inversa cuando el tipo p está conectado al terminal negativo de la batería y el tipo n está conectado al lado positivo. El campo eléctrico aplicado y el campo eléctrico incorporado están ambos en la misma dirección en esta situación.

El campo eléctrico resultante está en la misma dirección que el campo eléctrico incorporado, lo que da como resultado una zona de agotamiento más gruesa y más resistiva. Si se aumenta el voltaje aplicado, el área de agotamiento se vuelve más resistente y más gruesa.

Fórmula de unión PN

La fórmula de la unión pn, que se basa en la diferencia de potencial integrada generada por el campo eléctrico, es la siguiente:

mi _o = V _T l _norte [ norte _re – norte _UN / norte _yo ² ]

dónde,

• El voltaje de unión de polarización cero es E ₀ .
• A temperatura ambiente, V _T es el voltaje térmico de 26 mV.
• Las concentraciones de impurezas se indican con las letras N _D y N _A .
• La concentración intrínseca se denota _por  ni

Flujo de corriente en el diodo de unión pn

Cuando aumenta el voltaje, los electrones se mueven del lado n al lado p de la unión. La migración de agujeros desde el lado p al lado n de la unión ocurre de manera similar a medida que aumenta el voltaje. Como resultado, existe un gradiente de concentración entre los terminales de ambos lados. 

Habrá un movimiento de portadores de carga desde regiones de mayor concentración a regiones de menor concentración como resultado del desarrollo del gradiente de concentración. El flujo de corriente en el circuito es causado por el movimiento de los portadores de carga dentro de la unión pn.

VI Características del diodo de unión PN

Una curva entre el voltaje y la corriente a través del circuito define las propiedades VI de los diodos de unión pn. El eje x representa el voltaje, mientras que el eje y representa la corriente. La curva de características VI del diodo de unión pn se muestra en el gráfico anterior. Con ayuda de la curva, podemos ver que el diodo trabaja en tres áreas diferentes, las cuales son:

• Sesgo cero
• sesgo directo
• Polarización inversa

No se proporciona voltaje externo al diodo de unión pn mientras está en polarización cero, lo que implica que la barrera de potencial en la unión impide el paso de corriente.

Cuando el diodo de unión pn está en polarización de reenvío, el tipo p está conectado al terminal positivo del voltaje externo, mientras que el tipo n está conectado al terminal negativo. La barrera de potencial se reduce cuando el diodo se coloca de esta manera. Cuando el voltaje es de 0,7 V para diodos de silicio y de 0,3 V para diodos de germanio, las barreras de potencial caen y la corriente fluye.

La corriente crece lentamente mientras el diodo está polarizado y la curva formada no es lineal a medida que el voltaje suministrado al diodo supera la barrera de potencial. Una vez que el diodo ha cruzado la barrera de potencial, funciona normalmente y la curva aumenta rápidamente a medida que aumenta el voltaje externo, produciendo una curva lineal.

Cuando el diodo de unión PN está polarizado negativamente, el tipo p está conectado al terminal negativo del voltaje externo, mientras que el tipo n está conectado al terminal positivo. Como resultado, la barrera potencial se vuelve más alta. Debido a que los portadores minoritarios están presentes en la unión, al principio se produce una corriente de saturación inversa.

Cuando se eleva el voltaje aplicado, la energía cinética de las cargas minoritarias aumenta, afectando a las cargas mayoritarias. Este es el punto en el que falla el diodo. El diodo puede destruirse como resultado de esto.

Aplicaciones del diodo de unión PN

• Cuando la disposición del diodo de unión pn tiene polarización inversa, el diodo puede utilizarse como un fotodiodo ya que es sensible a la luz.
• Tiene el potencial de ser utilizado como una célula solar.
• El diodo se puede utilizar en aplicaciones de iluminación LED cuando tiene polarización directa.
• Muchos circuitos eléctricos lo utilizan como rectificador, mientras que los varactores lo emplean como oscilador controlado por voltaje.

Pregunta de muestra

Pregunta 1: ¿Qué es la resistencia inversa?

Responder:

La resistencia suministrada por un diodo de unión pn cuando tiene polarización inversa se conoce como resistencia inversa.

Pregunta 2: ¿Qué es la resistencia dinámica de un diodo?

Responder:

La relación entre el cambio de voltaje y el cambio de corriente se conoce como resistencia dinámica de un diodo.

Pregunta 3: ¿Qué es la resistencia estática de un diodo?

Responder:

La relación entre el voltaje de CC que atraviesa el diodo y la corriente de CC que fluye a través de él se conoce como resistencia estática del diodo.

Pregunta 4: ¿Qué es el sesgo inverso?

Responder:

Cuando el tipo p está conectado al terminal negativo de la batería y el tipo n está conectado al lado positivo, se dice que la unión pn tiene polarización inversa. En este caso, el campo eléctrico aplicado y el campo eléctrico incorporado apuntan ambos en la misma dirección. Debido a que el campo eléctrico generado está en la misma dirección que el campo eléctrico incorporado, la zona de agotamiento se vuelve más resistente y más gruesa. La región de agotamiento se vuelve más resistiva y más gruesa a medida que aumenta el voltaje aplicado.

Pregunta 5: ¿Qué es el sesgo directo?

Responder:

Cuando el tipo p está conectado al terminal positivo de la batería y el tipo n al terminal negativo, se dice que la unión pn tiene polarización directa. Cuando la unión pn tiene polarización directa, el campo eléctrico incorporado y el campo eléctrico aplicado están en direcciones opuestas. Cuando ambos campos eléctricos se juntan, el campo eléctrico resultante es más pequeño que el campo eléctrico incorporado. Como resultado, la zona de agotamiento se vuelve más estrecha y menos resistiva. La resistencia de la zona de agotamiento se vuelve insignificante cuando el voltaje aplicado es grande. A 0,6 V, la resistencia de la región de agotamiento en el silicio es insignificante, lo que permite que la corriente fluya fácilmente a través de ella.