Electrónica y Comunicaciones Unión PN. Barrera de Potencial. El diodo

Electrónica y Comunicaciones

Unión PN. Barrera de Potencial. El diodo

Supongamos que se dispone de un cristal de silicio puro, es decir silicio intrínseco, dividido en dos zonas con una frontera nítida, definida por un plano. Una zona se contamina con impurezas de tipo P y la otra con impurezas de tipo N, como se muestra en la figura.

[pic 1]

La zona P tiene un exceso de huecos, y se obtiene introduciendo átomos del grupo III en la red cristalina (impurezas aceptadoras).

La zona N dispone de electrones en exceso, que se obtienen incorporando en la red cristalina del silicio átomos del grupo V (impurezas donadoras).

En ambos casos se tienen también portadores de carga minoritarios de signo contrario, aunque en una concentración varios órdenes de magnitud inferior. En cada zona la carga total es neutra, puesto que por cada electrón de la zona N hay un ión positivo, y por cada hueco de la zona P hay un ión negativo. Esto se debe a que, si bien en la zona N hay un exceso de electrones libres, no debemos olvidar que cada electrón libre procede de un átomo de valencia 5, por ejemplo fósforo, que no pudo unirse a un átomo de silicio, por lo que ese átomo de fósforo quedó con un protón en exceso, o sea un ión positivo. Del mismo modo, en la zona P, si bien hay un exceso de huecos, no debemos olvidar que cada hueco proviene de un átomo de valencia 3, por ejemplo galio, que no pudo unirse a un átomo de silicio, por lo que ese átomo de galio quedó con un electrón en exceso, o sea un ión negativo.

En otras palabras, no existen distribuciones de carga neta, ni campos eléctricos internos en las zonas P y N, respectivamente. El efecto es que los electrones y los huecos cercanos a la unión de las dos zonas la cruzan y se instalan en la zona contraria, es decir:

• Electrones de la zona N pasan a la zona P.

• Huecos de la zona P pasan a la zona N.

Este movimiento de portadores de carga tiene un doble efecto. Centrémonos en la región de la zona P cercana a la unión:

• Un electrón que pasa la unión se recombina con un hueco. Aparece una carga negativa, ya que antes de que llegara el electrón la carga total era nula.

• Al pasar un hueco de la zona P a la zona N, provoca un defecto de carga positiva en la zona P, con lo que también aparece una carga negativa.

El mismo razonamiento, aunque con signos opuestos puede realizarse para la zona N. En consecuencia, a ambos lados de la unión se va creando una zona de cargas eléctricas, que es positiva en la zona N y negativa en la zona P.

• Zona P: Semiconductora, con una resistencia Rp
• Zona N: Semiconductora, con una resistencia Rn

Estas dos regiones de carga, a ambos lados de la unión, conforman lo que se denomina la zona de agotamiento o zona de deplexión. Tal zona no es conductora, puesto que no posee portadores de carga libres. En ella, por la distribución de las cargas, existe un campo eléctrico que origina un cierto potencial eléctrico que se denomina barrera de potencial, o también tensión de umbral.

[pic 2]

La unión de dos semiconductores extrínsecos, uno de tipo P y el otro de tipo N, se denomina diodo.

Un diodo es un dispositivo electrónico de dos terminales de conexión denominados ánodo y cátodo.

El ánodo es el terminal correspondiente a la zona P y se simboliza con la letra A.

El cátodo es el terminal correspondiente a la zona N y se simboliza con la letra K.

La tensión de umbral o barrera de potencial para un diodo de germanio es de unos 0,3 voltios, aproximadamente, y para un diodo de silicio de unos 0,7 voltios, aproximadamente.

El símbolo técnico de un diodo es el siguiente:

[pic 3][pic 4]

Diferentes formas de simbolizar un diodo

Analicemos ahora qué ocurre cuando aplicamos tensión a este dispositivo.

Polarización directa de la unión PN

Por polarización directa se entiende la conexión del terminal positivo (+) de la batería al ánodo del diodo y el terminal negativo (-) de la batería al cátodo del diodo. En la figura de abajo, la tensión de polarización se denomina VD; en este caso VD ˃ 0.

El bloque de la unión PN no permite el establecimiento de una corriente eléctrica entre sus terminales puesto que la zona de agotamiento no es conductora. Sin embargo, si se aplica una tensión positiva en el ánodo, se generará un campo eléctrico que "empujará" los huecos hacia la unión, provocando un estrechamiento de la zona de agotamiento. Sin embargo, mientras ésta exista no será posible la conducción.

Si la tensión aplicada supera a la de la barrera de potencial (0,7 v para el Si o 0,3 v para el Ge), desaparece la zona de agotamiento y el dispositivo conduce, es decir aparece una corriente eléctrica en el circuito. De forma simplificada e ideal, lo que sucede es lo siguiente:

• Electrones y huecos se dirigen a la unión.

• En la unión se recombinan y continúan su camino en el circuito.

[pic 5]

En resumen, al polarizar un diodo en directa, el diodo permite la circulación de cargas en el circuito porque se inunda de cargas móviles la zona de agotamiento.

La tensión de polarización aplicada se emplea entonces para:

• Vencer la barrera de potencial.

• Movilizar los portadores de carga

Dado que al polarizar un diodo en forma directa, el material se vuelve conductor se hace necesario colocar siempre en serie con un diodo una resistencia eléctrica para limitar la corriente que circula en el circuito.

Polarización inversa de la unión PN. Corriente de fuga

Por polarización inversa se entiende la conexión del terminal positivo (+) de la batería al cátodo del diodo y el terminal negativo (-) de la batería al ánodo del diodo. En la figura de abajo, la tensión de polarización se denomina VD; en este caso VD ˂ 0.

Bajo esta condición el número de iones positivos descubiertos en la región de agotamiento del material tipo N aumentará debido al mayor número de electrones libres arrastrados hacia el potencial positivo del voltaje aplicado. El número de iones negativos descubiertos en el material tipo P también aumentará debido a los electrones inyectados por la terminal negativa, las cuales ocuparán los huecos. El fenómeno explicado anteriormente, en ambos tipos de material N y P, provocará que la región de agotamiento se ensanche o crezca hasta establecer una barrera tan grande que los portadores mayoritarios no podrán superar, esto significa que la corriente a través del diodo será cero.

Por otra parte, el número de portadores minoritarios que estarán entrando a la región de agotamiento no cambiará, ya que para ellos la unión está polarizada en directo, creando por lo tanto la corriente Is denominada corriente de saturación inversa o corriente de fuga, que posee un valor extremadamente bajo y que para todo efecto práctico puede considerarse completamente despreciable.

[pic 6]

El ensanchamiento de la zona de agotamiento cuando se aplica polarización inversa al diodo es el responsable de que no haya circulación de cargas en el circuito, por lo que se dice entonces que un diodo en polarización inversa bloquea la corriente eléctrica, o sea impide su circulación.

Sin embargo, la capacidad de bloqueo de la corriente eléctrica que tiene un diodo en polarización inversa tiene un límite.

El máximo potencial de polarización inversa que puede aplicarse a un diodo sin que conduzca la corriente se denomina tensión de pico inverso o tensión de ruptura inversa. Si se supera este límite, la región de agotamiento ya no será capaz de detener el paso de la corriente y se producirá un efecto de avalancha que disparará el valor de la corriente inversa y el diodo se destruirá. Esta zona donde se produce la avalancha de portadores de carga se denomina también región Zener.

COMPONENTES ELECTRÓNICOS

EL DIODO

Las propiedades de los materiales semiconductores se conocían ya hacia 1874, cuando se observó la conducción en un único sentido en cristales de sulfuro. 25 años más tarde se empleó el rectificador de cristales de galena para la detección de ondas, que se usaba en las radios de la época. Durante la Segunda Guerra Mundial se desarrolló el primer dispositivo con las propiedades que hoy conocemos, el diodo de germanio y poco después apareció el diodo de silicio.

Lo explicado hasta aquí constituye el fundamento físico del funcionamiento de un diodo; podría decirse que hemos atendido lo “microscópico” de lo ocurre en su interior, necesario para comprender el “por qué” y “cómo” de su comportamiento.

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