¿Qué es un diodo de unión PN?
¿Qué es un diodo de unión PN?
Diodo de unión PN
Un diodo de unión PN es un componente básico en electrónica. En este tipo de diodo, un lado del semiconductor está dopado con impurezas aceptoras (tipo P) y el otro lado con impurezas donadoras (tipo N). Este diodo puede clasificarse como una unión 'graduada en escalones' o 'graduada linealmente'.
En un diodo de unión PN graduada en escalones, la concentración de dopantes es uniforme en ambos lados hasta la unión. En una unión graduada linealmente, la concentración de dopantes cambia casi linealmente con la distancia desde la unión. Sin aplicar ningún voltaje, los electrones libres se mueven hacia el lado P y los huecos se mueven hacia el lado N, donde se combinan.
Los átomos aceptores cerca de la unión en el lado P se convierten en iones negativos, y los átomos donadores cerca de la unión en el lado N se convierten en iones positivos. Esto crea un campo eléctrico que se opone a la difusión adicional de electrones y huecos. Esta región con iones descubiertos se llama la región de agotamiento.
Si aplicamos un voltaje de polarización directa al diodo de unión PN. Eso significa que si el lado positivo de la batería se conecta al lado P, entonces el ancho de la región de agotamiento disminuye y los portadores (huecos y electrones libres) fluyen a través de la unión. Si aplicamos un voltaje de polarización inversa al diodo, el ancho de la región de agotamiento aumenta y no puede fluir carga a través de la unión.
Características del diodo de unión PN
Consideremos una unión PN con una concentración de donadores ND y una concentración de aceptores NA. Supongamos también que todos los átomos donadores han donado electrones libres y se han convertido en iones donadores positivos, y que todos los átomos aceptores han aceptado electrones y han creado huecos correspondientes, convirtiéndose en iones aceptores negativos. Por lo tanto, podemos decir que la concentración de electrones libres (n) y de iones donadores ND son las mismas, y de manera similar, la concentración de huecos (p) y de iones aceptores (NA) son las mismas. Aquí, hemos ignorado los huecos y electrones libres creados en los semiconductores debido a impurezas y defectos involuntarios.
A través de la unión PN, los electrones libres donados por los átomos donadores en el lado N se difunden hacia el lado P y se recombinan con los huecos. De manera similar, los huecos creados por los átomos aceptores en el lado P se difunden hacia el lado N y se recombinan con los electrones libres. Después de este proceso de recombinación, hay una falta o agotamiento de portadores de carga (electrones libres y huecos) a través de la unión. La región a través de la unión donde los portadores de carga libres se agotan se llama la región de agotamiento.
Debido a la ausencia de portadores de carga libres (electrones libres y huecos), los iones donadores del lado N y los iones aceptores del lado P a través de la unión quedan descubiertos. Estos iones donadores positivos descubiertos hacia el lado N adyacente a la unión y iones aceptores negativos descubiertos hacia el lado P adyacente a la unión causan una carga espacial a través de la unión PN. El potencial desarrollado a través de la unión debido a esta carga espacial se llama el voltaje de difusión. El voltaje de difusión a través de un diodo de unión PN se puede expresar como. El potencial de difusión crea una barrera de potencial para la migración adicional de electrones libres desde el lado N al lado P y de huecos desde el lado P al lado N. Es decir, el potencial de difusión previene que los portadores de carga crucen la unión.
Esta región es altamente resistiva debido al agotamiento de los portadores de carga libres en esta región. El ancho de la región de agotamiento depende del voltaje de polarización aplicado. La relación entre el ancho de la región de agotamiento y el voltaje de polarización se puede representar mediante una ecuación llamada Ecuación de Poisson. Aquí, ε es la permitividad del semiconductor y V es el voltaje de polarización. Entonces, al aplicar un voltaje de polarización directa, el ancho de la región de agotamiento, es decir, la barrera de la unión PN, disminuye y finalmente desaparece.
Por lo tanto, en ausencia de barrera de potencial a través de la unión en la condición de polarización directa, los electrones libres entran en la región P y los huecos entran en la región N, donde se recombinan y liberan un fotón en cada recombinación. Como resultado, habrá una corriente directa que fluye a través del diodo. La corriente a través de la unión PN se expresa como. Aquí, se aplica un voltaje V a través de la unión PN y una corriente total I fluye a través de la unión PN.
I s es la corriente de saturación inversa, e = carga del electrón, k es la constante de Boltzmann y T es la temperatura en escala Kelvin.
El gráfico a continuación muestra la característica de corriente-voltaje de un diodo de unión PN. Cuando V es positivo, la unión está polarizada directamente, y cuando V es negativo, la unión está polarizada inversamente. Cuando V es negativo y menor que VTH, la corriente es mínima. Pero cuando V supera VTH, la corriente se vuelve repentinamente muy alta. El voltaje VTH se conoce como el voltaje umbral o de corte. Para un diodo de silicio VTH = 0.6 V. A un voltaje inverso correspondiente al punto P, hay un incremento abrupto en la corriente inversa. Esta parte de las características se conoce como la región de ruptura.
Unión graduada en escalones
En una unión graduada en escalones, la concentración de dopantes es uniforme hasta la unión en ambos lados.
Región de agotamiento
La región de agotamiento se forma en la unión donde los electrones libres y los huecos se recombinan, creando un área sin portadores de carga libres.
Polarización directa
Aplicar una polarización directa disminuye el ancho de la región de agotamiento, permitiendo que la corriente fluya.
Polarización inversa
Aplicar una polarización inversa aumenta el ancho de la región de agotamiento, bloqueando el flujo de corriente hasta que se alcanza el voltaje de ruptura.
