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Unión P-N

Unión P-N

Materiales tipo P y tipo N

El silicio puro (intrínseco) es un material semiconductor, posee 4 electrones en su banda de valencia que enlazan los átomos entre sí mediante un enlace covalente. Cuando aportamos energía calorífica a un material semiconductor, como el silicio, algunos electrones se desprenden de la capa de valencia y pasan a ser electrones libres, dejando así un hueco. Un hueco es entonces el sitio que deja un electrón al abandonar la capa de valencia y convertirse en un electrón libre. Un electrón libre tiene un nivel energético mayor que un electrón orbitando en la capa de valencia. Cuando un electrón libre cae en un hueco, este libera energía y dicho proceso se llama recombinación.

 Silicio extrínseco tipo P: 

Un material tipo P se consigue sustituyendo algunos átomos de semiconductor intrínseco, como el Silicio, por átomos de un elemento con menor número de electrones en su capa de valencia, normalmente 3 (trivalente), como el Boro. Este proceso se llama dopado y se consigue así aumentar el número de huecos. Al sustituir algunos átomos de material intrínseco por otros de material extrínseco con menos electrones en la capa de valencia, algún átomo vecino cede un electrón para completar el enlace, y se produce así una circulación de electrones libres dentro de la red.

 Silicio extrínseco tipo N: 

Un semiconductor tipo N se consigue mediante un proceso de dopado añadiendo cierto tipo de elemento, normalmente pentavalente (5 electrones en la capa de valencia), al semiconductor para aumentar el número de electrones libres. Si un átomo con cinco electrones de valencia como por ejemplo el Fósforo (P), el Arsénico (As), o el Antimonio (Sb), se incorpora a la red cristalina en el lugar de un átomo de silicio, entonces ese átomo tendrá cuatro enlaces covalentes y un electrón no enlazado. Este electrón extra da como resultado la formación de electrones libres, y el número de electrones libres supera ampliamente el número de huecos, en este caso los huecos son los portadores minoritarios y los electrones son los portadores mayoritarios.

 La barrera interna de potencial

Al unir material tipo N y tipo P, algunos electrones libres del lado N se recambian con huecos del lado P en un fenómeno llamado difusión. Al producirse la difusión, aparecen cargas en la zona de la unión, dicha zona se llama barrera interna de potencial. A medida que la difusión aumenta la barrera de potencial se ensancha, y se genera un campo eléctrico que contrarresta el fenómeno de difusión hasta estabilizarlo (ver fig. 2). Este campo eléctrico es equivalente a decir que aparece una diferencia de potencial entre las zonas P y N, esta diferencia de potencial (V0) es de 0,7V en el caso del silicio y 0,3V si los cristales son de germanio (Ge) .

 Polarización directa de la Unión PN

 Para que una unió PN esté polarizada directamente, hay que conectar el polo positivo de una batería al ánodo y el polo negativo al cátodo. En estas condiciones el polo negativo repele los electrones libres del cristal N, con lo que los electrones se dirigen hacia la unión PN. El polo positivo atrae a los electrones de valencia del cristal P, lo cual equivale a decir que empuja a los huecos hacia la unión PN.

Cuando la diferencia de potencial entre los bornes de la batería supera el campo eléctrico de la barrera de potencial, los electrones libres del cristal N adquieren suficiente energía como para saltar a los huecos del cristal P, los cuales previamente, como ya se ha dicho, se han desplazado hacia la unión PN.

Unión PN en equilibrio térmico sin voltaje de polarización. La concentración de electrones y huecos se representan con líneas azul y roja respectivamente. Las regiones grises tienen carga neutra. La zona azul tiene carga negativa y la roja tiene carga positiva. Bajo la unión, aparecen en forma de gráfica la densidad de carga, el campo eléctrico, y la diferencia de potencial.

 

 

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