Características y funcionamiento de los diodos de unión PN

En este tutorial, aprenderá sobre las características y el funcionamiento de los diodos de unión PN, especialmente los diodos de unión PN. Esta comprensión sentará una mejor base para explorar varios aspectos de la electrónica de semiconductores con mayor profundidad.

Introducción

Las uniones PN son un componente importante y una de las estructuras esenciales proporcionadas por la tecnología de semiconductores en electrónica. Los componentes electrónicos, como los transistores de unión bipolar, los FET de unión y los MOSFET, o los diodos, como los diodos emisores de luz (LED) y los circuitos integrados (CI) analógicos o digitales, son compatibles con la tecnología de semiconductores.

Una propiedad interesante de los diodos semiconductores es que facilitan que los electrones fluyan a través de ellos en una sola dirección. Como resultado, actúa como rectificador de corriente alterna. El funcionamiento indispensable de los diodos semiconductores es la base para comprender todos los diodos semiconductores.

Los diodos se pueden observar con dispositivos semiconductores bipolares simples. Las características de un diodo se ven como un gráfico de la corriente producida por el diodo cuando se le aplica voltaje. Los diodos perfectos se pueden distinguir absolutamente por sus curvas de corriente y voltaje.

Asegura que la corriente solo fluya en la dirección de avance y bloquea efectivamente la corriente en la dirección inversa. Es importante reconocer que un semiconductor es un material monocristalino formado por dos bloques separados de un tipo de semiconductor completamente opuesto.

Un bloque produce una región P en la que 3 está dopado con un átomo de impureza para actuar como receptor con agujeros como portador de carga múltiple, y un bloque adyacente es 5 dopado con un átomo de impureza para producir una región N que actúa como donante con electrones como portador de carga mayoritaria.

El límite que separa las regiones n y p se llama unión metafísica. La concentración de dopaje es la misma en todos los bloques, y habrá una corrección repentina del dopaje en el cruce. Cuando los dos bloques se colocan más cerca uno del otro, los electrones y los huecos se difunden desde el área de alta concentración al área de baja concentración.

En el proceso de difusión, los electrones de la región N se difunden en la región P, mientras que los huecos de la región P se difunden en la región N. Cuando el agujero entra en la región N, se recombina con el átomo donante. Al mismo tiempo, el átomo donante permite agujeros adicionales y se convierte en un átomo donante fijo cargado positivamente.

Los electrones que se propagan de la región N a la región P se recombinan con los átomos receptores de la región P. Al mismo tiempo, el átomo receptor acepta electrones adicionales y se convierte en un átomo receptor inmóvil cargado negativamente.

Como resultado, se genera una gran cantidad de iones cargados positivamente en la unión en el lado N y una gran cantidad de iones cargados negativamente en la unión en el lado P.

Los iones puramente cargados positivos y negativos dentro de las regiones N y P inducen campos eléctricos en el espacio cerca de la unión metafísica. Siempre que el campo eléctrico sea pequeño y la densidad de portadores libres sea igual a la densidad neta de dopaje, la fusión de estas dos regiones puede denominarse región de carga espacial.

También se conoce como zona cuasi-neutra. Básicamente, todos los electrones y huecos son barridos en la región de carga del espacio libre por un campo eléctrico. La zona de conicidad en la que se produce el agotamiento de los portadores libres se denomina zona de agotamiento.

Se supone que el área de privación alrededor de la unión metalúrgica tiene bordes bien definidos. Esto supone conjuntamente que la transición entre la zona vacía y la zona de carga por espacio libre es brusca.

La zona de agotamiento contiene iones positivos preestablecidos en el lado N e iones negativos preestablecidos en el lado P. El ancho de la capa de privación es inversamente proporcional a la concentración de dopantes presentes en cada área.

El campo eléctrico dentro de la zona de privación genera una fuerza opuesta que se opone a la difusión de electrones y huecos debido al efecto de los iones cargados dentro de la zona de privación. Esta fuerza opuesta a menudo se puede citar como un golpe potencial. Voltaje ARER. El valor típico de la barrera de potencial para el silicio es de 0,72 V, y para el germanio es de 0,3 V.

Cuando el campo eléctrico y los potenciales de barrera se equilibran entre sí, se alcanza el equilibrio, lo que da como resultado un Vo potenciométrico que conecta los dos lados de la capa vacía. La diferencia de potencial de contacto neto depende del tipo de material y es mayor en el tipo n que en el tipo p.

En equilibrio térmico, el potencial de barrera proporciona una energía potencial más baja para los electrones en el lado N que para el plano P. Debido a que las posiciones de las bandas de conducción y valencia con respecto al nivel de energía de Fermi varían entre las regiones P y N, las bandas de energía se doblan en la región de carga del espacio libre.

En este equilibrio, no se produce ninguna conducción de corriente, y la corriente causada por las corrientes difusas y de deriva se cancela tanto para los electrones como para los huecos. El potencial de barrera incorporado se equilibra entre las portadoras de carga mayoritarias en la región N y las portadoras de carga minoritarias en la región P, y entre las portadoras de carga mayoritarias en la región P y las portadoras de carga minoritarias en la región N.

La barrera de potencial incorporada también se puede extrapolar como la diferencia entre los niveles intrínsecos de energía de Fermi en las regiones P y N.

Los diodos de unión PN son diodos que se pueden usar como rectificadores, puertas lógicas, estabilizadores de voltaje, dispositivos de conmutación, condensadores dependientes de voltaje y se pueden usar en optoelectrónica como fotodiodos, diodos emisores de luz (LED), diodos láser, fotodetectores o células solares en electrónica.

Funcionamiento de los diodos de unión PN

Cuando se aplica un potencial externo a los terminales de la unión PN, el potencial entre las regiones P y N cambia. Esta diferencia de potencial puede alterar el flujo de la mayoría de los portadores, por lo que la unión PN se puede utilizar como una oportunidad para la difusión de electrones y huecos.

Si el voltaje aplicado disminuye el ancho de la capa de pobreza, se supone que el diodo está en una polarización directa, y si el voltaje aplicado aumenta el ancho de la capa de pobreza, se considera que el diodo está en una polarización inversa. Si el ancho de la capa de privación no cambia, está en sesgo cero.

• Sesgo hacia adelante: El voltaje externo reduce la barrera de potencial incorporada.
• Sesgo inverso: El voltaje externo aumenta la barrera de potencial incorporada.
• Sesgo cero: No se aplica voltaje externo.

Voltaje externo del diodo de unión PN no aplicado

A polarización cero o equilibrio térmico, el potencial de unión da mayor energía potencial a los agujeros en el lado P que en el lado N. Cuando los terminales de un diodo de unión están en cortocircuito, un pequeño número de portadores de carga (orificios) en el lado P con suficiente energía para superar la barrera potencial se mueven a través de la zona de escape.

Entonces, con la ayuda de orificios, una corriente eléctrica comienza a fluir a través del diodo, que se llama corriente directa. De manera similar, los orificios en el lado N viajan en la dirección inversa a través de la zona de escape, y la corriente generada de esta manera se denomina corriente inversa.

La barrera de potencial se opone al movimiento de electrones y huecos a través de la unión y permite que un pequeño número de portadores de carga se desplacen a través de la unión PN. Como resultado, se establece un estado de equilibrio cuando el portador de carga mayoritaria tiene la misma concentración en ambos lados de la unión y cuando el portador de carga minoritario se mueve en la dirección opuesta.

La corriente neta cero fluye a través del circuito y se dice que la unión está en equilibrio dinámico. Cuando se eleva la temperatura del semiconductor, se crea continuamente una pequeña cantidad de portadores de carga, lo que hace que la corriente de fuga comience a aumentar. Normalmente, no se conecta ninguna fuente externa a la unión PN, por lo que no se conduce corriente.

Diodos de unión Pn de polarización directa

Dependiendo del voltaje aplicado externamente, la diferencia de potencial entre las regiones P y N cambia. Si el terminal positivo de la fuente está conectado al lado P y el terminal negativo está conectado al lado N, se dice que el diodo de unión está conectado en un estado de polarización directa. La polarización directa reduce el potencial de la unión PN.

Los portadores de carga mayoritarios en las regiones N y P son atraídos hacia la unión PN, y el ancho del lecho vacío disminuye con la difusión de los portadores de carga mayoritarios. El sesgo externo se desvía del equilibrio y provoca la desalineación de los niveles de Fermi en las regiones P y N y en la capa de privación.

Por lo tanto, el campo eléctrico se induce en la dirección opuesta al campo magnético integrado. La presencia de dos niveles diferentes de Fermi en la jerarquía de privación indica un estado de cuasiequilibrio. La cantidad de carga Q almacenada en el diodo es proporcional a la corriente I que fluye a través del diodo.

Un mayor aumento en la polarización directa que el potencial intrínseco permite que la zona de agotamiento se vuelva mucho más delgada a ciertos valores, lo que permite que un gran número de portadores de carga mayoritarios pasen a través de la unión PN y conduzcan la corriente. La corriente que fluye con el potencial incorporado se denomina corriente CERO o corriente KNEE.

Características del diodo de polarización directa

A medida que aumenta la polarización directa externa aplicada, el ancho de la capa de hinchazón se vuelve más delgado y la corriente directa del diodo de unión PN disminuye después del punto KNEE de la curva característica I-V directa Comienza a aumentar bruscamente.

En primer lugar, existe una pequeña cantidad de corriente, llamada corriente de retrosaturación, debido a la presencia de potenciales de contacto y campos eléctricos asociados. Los electrones y los huecos atraviesan libremente la unión y provocan una corriente de difusión que fluye en la dirección opuesta a la corriente de contrasaturación.

El resultado final de la aplicación de la polarización directa es reducir la altura de la barrera de potencial en eV. La mayoría de las corrientes portadoras en los diodos de unión PN aumentan exponencialmente en eV/kT. Como resultado, la cantidad total de corriente será I = I._{s *} exp(eV/kT), donde I_s Es constante.

El exceso de huecos portadores de carga mayoritaria libre y los electrones que ingresan a las regiones N y P, respectivamente, actúan como portadores minoritarios y se recombinan con portadores mayoritarios locales en las regiones N y P. En consecuencia, esta concentración disminuye con la distancia desde la unión PN, y este proceso se denomina inyección de portador fraccionado.

Las características directas de los diodos de unión PN no son lineales, es decir, no son rectas. Este tipo de característica directa muestra que la resistencia no es constante durante el funcionamiento de la unión PN. La pendiente de las características de avance de un diodo de unión PN se vuelve muy pronunciada muy rápidamente.

Esto muestra que la resistencia en la polarización directa del diodo de unión es muy baja. El valor de la corriente directa es directamente proporcional a la fuente de alimentación externa e inversamente proporcional a la resistencia interna del diodo de unión.

La aplicación de polarización directa a los diodos de unión PN reduce la ruta de impedancia del diodo de unión y le permite conducir una gran cantidad de corriente, conocida como corriente infinita. Esta gran cantidad de corriente aplica una pequeña cantidad de potencial externo y comienza a fluir sobre el punto de RODILLA de las características de avance.

La diferencia de potencial en la unión o en las dos regiones N y P se mantiene constante por la acción de la capa de contaminación. La cantidad máxima de corriente conducida está limitada por la resistencia de carga porque cuando un diodo conduce más corriente que la especificación típica de un diodo, la sobrecorriente disipará el calor y dañará gravemente el dispositivo.

Diodo de unión PN de polarización inversa

Si el terminal positivo de la fuente está conectado al lado N y el terminal negativo está conectado al lado P, se dice que el diodo de unión está conectado en un estado de polarización inversa. En este tipo de conexión, la mayoría de los portadores de carga se alejan de la capa de escape mediante los respectivos terminales de la batería conectados a la unión PN.

El nivel de Fermi en el lado N es más bajo que el nivel de Fermi en el lado P. El terminal positivo atrae electrones en la unión en el lado N, y el terminal negativo atrae los huecos en la unión en el lado P. Como resultado, el ancho de la barrera de potencial aumenta, obstruyendo el flujo de la mayoría de los portadores en los lados N y P.

El ancho de la capa de carga de espacio libre aumenta, aumentando el campo eléctrico de la unión PN y el diodo de la unión PN actúa como una resistencia. Sin embargo, el tiempo de funcionamiento de un diodo en una resistencia es muy corto. En las uniones PN no se produce la recombinación de la gran mayoría de los portadores. Por lo tanto, no hay conducción de corriente.

La corriente que fluye en un diodo de unión PN es una pequeña corriente de fuga causada por un pequeño portador generado por la capa de privación o una pequeña onda portadora que se desplaza a través de la unión PN. Finalmente, el crecimiento resultante en el ancho de la capa de soplo indica una ruta de alta impedancia que actúa como aislante.

En el estado de polarización inversa, no fluye corriente a través del diodo de unión PN a medida que aumenta la cantidad de voltaje externo aplicado. Sin embargo, la corriente de fuga causada por el portador de carga minoritaria fluye hacia el diodo de unión PN, que se puede medir en: Microamperios.

A medida que aumenta el potencial de polarización inversa para el diodo de unión PN, en última instancia, se produce una ruptura del voltaje inverso de la unión PN y la corriente del diodo es controlada por un circuito externo. Los desgloses inversos dependen del nivel de dopaje en las zonas P y N.

A medida que la polarización inversa aumenta aún más, el diodo de unión PN se cortocircuitará debido al sobrecalentamiento del circuito, y la corriente máxima del circuito del diodo de unión PN fluirá.

Características del diodo de polarización inversa

Características V-I de los diodos de unión PN

En las características de corriente-voltaje de los diodos de unión, desde el primer cuadrante de la figura, si el voltaje de entrada aplicado al diodo es menor que el voltaje umbral (Vr), la corriente en la polarización directa es muy baja. El voltaje umbral también se conoce como voltaje de conexión.

Cuando el voltaje de entrada de polarización directa excede el voltaje de conexión (0,3 V para diodos de germanio y 0,6-0,7 V para diodos de silicio), la corriente aumenta significativamente, lo que hace que el diodo funcione como un cortocircuito.

La curva característica de polarización inversa del diodo se muestra en el cuarto cuadrante de la figura anterior. La corriente en la polarización inversa es baja hasta que alcanza la rendición, por lo que el diodo parece un circuito abierto. Cuando el voltaje de entrada de polarización inversa alcanza el voltaje de ruptura, la corriente inversa aumenta rápidamente.

Características ideales y prácticas del diodo PN

Para obtener características ideales, la corriente total de un diodo de unión PN es constante en todo el diodo de unión. Las corrientes individuales de electrones y huecos son una función continua y son constantes en todo el diodo de unión.

Las propiedades reales de un diodo de unión PN dependen del potencial externo aplicado a la unión que cambia las propiedades del diodo de unión. Los diodos de unión actúan como un cortocircuito en la polarización directa y como un circuito abierto en la polarización inversa.

Resumen

• Los semiconductores contienen propiedades a medio camino entre un conductor y un aislante.
• El material comúnmente utilizado en semiconductores es el silicio.
• Los semiconductores contienen electrones y huecos como portadores de carga.
• El portador de carga en un semiconductor se denomina portador de carga móvil porque puede moverse libremente por todo el dispositivo.
• Los huecos son partículas cargadas positivamente, mientras que los electrones son partículas cargadas negativamente.
• Los portadores de carga son responsables de conducir la corriente eléctrica.
• Hay dos tipos de semiconductores: semiconductores intrínsecos y semiconductores extrínsecos.
• Los semiconductores intrínsecos son los semiconductores más puros porque no tienen impurezas.
• Los semiconductores externos contienen impurezas llamadas dopantes que alteran las propiedades eléctricas del semiconductor.
• Los semiconductores externos se clasifican en dos tipos: Son de tipo N y P.
• Las impurezas de tipo N se denominan donantes porque contienen una gran cantidad de electrones como portadores.
• Las impurezas de tipo P se denominan receptores porque contienen poros como la mayoría de los portadores de carga.
• Las uniones PN se forman combinando dos semiconductores de tipo N y tipo P en un solo cristal.
• Un diodo de unión PN es un dispositivo de dos terminales, y las características del diodo dependen de la polaridad del potencial externo aplicado al diodo de unión PN.
• La unión de los semiconductores N y P no tiene portadores de carga. Por lo tanto, esta área se denomina zona de privación.
• La anchura de la zona de privación cambia en función del potencial de autorización externa.
• Si no se aplica ningún potencial externo a la unión PN, esta condición se denomina polarización cero. El potencial de unión de los diodos de silicio es de 0,6 V a 0,7 V, mientras que el de los diodos de germanio es de 0,3 V.
• Si el cruce está sesgado hacia adelante, la mayor parte del portador se atrae hacia el cruce y se repone en el cruce. En esta condición, a medida que el ancho de la zona vacía disminuye y el diodo de potencial externo aumenta, actúa como un cortocircuito que permite que fluya la máxima cantidad de corriente.
• Cuando el diodo de unión está polarizado en la dirección opuesta, la mayoría de los portadores de carga son atraídos por cada terminal lejos de la unión PN, lo que impide la difusión de electrones y huecos en la unión. Debido al portador de carga minoritaria en la unión, habrá una pequeña cantidad de corriente, llamada corriente de fuga. Esta pequeña corriente se denomina corriente de deriva. Cuando el potencial de polarización inversa aumenta aún más, el diodo actúa como un circuito abierto, bloqueando la corriente que fluye a través del diodo.

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