En este tutorial, aprenderá sobre uno de los conceptos más importantes de la electrónica de semiconductores: la unión PN. Aunque no se discute principalmente fuera del concepto de diodos de unión PN y, a veces, transistores, la unión PN es un tema esencial en la electrónica de semiconductores.
Entonces, en este tutorial de PN Junction, discutiremos algunos de los conceptos básicos de PN Junction, cómo se forma PN Junction, las características de PN Junction y muchos otros aspectos.
Tabla de contenido
Introducción
Cuando hablamos de dispositivos semiconductores como diodos, transistores, etc., las uniones PN forman su base. Por ejemplo, un pequeño número de dispositivos semiconductores, como los fotoconductores, se forman normalmente dopando un solo tipo de impureza. Sin embargo, este es un escenario limitado, y la mayoría de los dispositivos semiconductores requieren ambos tipos de dopaje.
Las uniones PN se forman básicamente mediante la introducción de impurezas receptoras en un lado de un cristal semiconductor (conocido como dopaje) e impurezas donantes en el otro lado.
La interfaz entre estas dos áreas se denomina unión PN.
Fundamentos de la electrónica de semiconductores
Por ejemplo, la conductividad eléctrica de semiconductores como el silicio o el germanio depende de la concentración de portadores eléctricos dentro de la banda de conducción. Las propiedades de la conductividad dependen del número de dopantes presentes en el proceso de dopaje.
La conductividad del silicio se acumula por un coeficiente de 10.3 A temperatura ambiente con la adición de 1 átomo de boro por cada 105 Átomos de silicio.
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Los semiconductores de tipo N se fabrican dopando cristales de silicio con impurezas pentavalentes, como el antimonio, mientras que los semiconductores de tipo P se forman dopando cristales de silicio con impurezas trivalentes, como el boro, a pequeñas concentraciones.
Tanto el antimonio como el boro son impurezas semiconductoras esenciales utilizadas en el proceso de dopaje. Por lo tanto, se le llama “cuasi-metal”. Individualmente, tanto los semiconductores de tipo N como los de tipo P son eléctricamente neutros.
¿Cómo se forma una unión PN?
Las uniones PN se producen a partir de un solo cristal semiconductor dopando un lado del cristal con un átomo de impureza receptor para convertirlo en tipo P y el lado opuesto dopado con un átomo de impureza donante para hacerlo de tipo N. El área donde convergen los tipos P y N se denomina unión PN.
En la región de unión PN, los electrones del material de tipo N dispersan la unión y se unen con los huecos del material de tipo P. La región del material de tipo P que está cerca de la unión del semiconductor está cargada negativamente por la lógica de que los electrones son atraídos a los huecos.
Cuando un electrón sale de la región de tipo N, se carga positivamente. Por lo tanto, en la unión, los electrones libres tienden a difundirse en la región de tipo P y los huecos en la región de tipo N, y este proceso se denomina difusión.
La capa delgada intercalada entre estas dos zonas, cuando la mayoría de los portadores están agotados, se denomina zona de agotamiento. El estado de equilibrio de una unión PN se define como el estado en el que la unión PN no está sujeta a potenciales externos.
Esto también se puede definir como el estado de la condición de polarización de voltaje cero. El ancho del área de agotamiento es muy delgado, generalmente unos pocos miles de milímetros, y no puede fluir corriente a través del diodo.
Unión PN cuando se aplica potencial
Dependiendo de la anchura de la zona de privación, aparecen diferentes características. Cuando se aplica un potencial positivo a tal distancia, la región de tipo P se vuelve positiva, el tipo N se vuelve negativo y el agujero se mueve hacia el voltaje negativo.
Del mismo modo, los electrones se mueven a voltajes positivos, saltando la capa vacía. En la región de agotamiento, la densidad de carga del tipo P se llena con iones receptores cargados negativamente, lo que da como resultado una densidad de carga positiva del tipo N.
La barrera de potencial constituye la división del portador de carga en el medio de la unión PN. Esta barrera de potencial debe ser superada por una fuente de potencial externa para permitir que la unión PN conduzca la corriente.
Tipo La unión de diodos semiconductores e iones en la barrera de potencial ocurre durante todo el proceso de fabricación de diodos semiconductores de unión PN. El grado de barrera de potencial puede estar en función del material utilizado en la fabricación de diodos de unión PN.
Los diodos semiconductores de unión PN de silicio tienen un tamaño de barrera de potencial superior al de los diodos de unión PN de germanio.
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Cruce PN
Las uniones PN se realizan uniendo tanto el tipo P como el tipo N al mismo cristal semiconductor. La mayoría de los portadores de carga de tipo P son huecos cargados positivamente y electrones cargados de tipo N.
Toda la carga en ambos lados de la unión PN debe ser igual y opuesta para mantener las condiciones de carga neutra alrededor de la unión debido al par electrón-hueco. La capa entre los tipos P y N, donde el portador de carga se duplica varias veces, se marca como la zona de agotamiento.
En equilibrio, no se produce conducción en la unión PN. La conducción de uniones PN incluye la difusión de portadores de muchas cargas y la deriva de portadores de carga más pequeña. En la unión PN, la conducción de la corriente está físicamente contenida tanto en la banda de conducción como en la banda de carga a electrones.
Cuando se proporciona una batería externa, el flujo de electrones se produce en la banda de conducción, mientras que el flujo de agujeros se produce en el cinturón de valencia.
En condiciones de equilibrio de polarización de voltaje cero, las concentraciones fraccionarias de huecos y electrones simplemente se desplazan bajo la influencia de la incorporación del campo eléctrico E. La difusión del portador de carga mayoritaria debe pasar a través de la barrera de potencial (VB) de la unión PN formada por el efecto de la zona de agotamiento.
Esto significa que la mayoría de los portadores de carga de tipo N y P deben alcanzar una energía de al menos qVB electronvoltios (eV) antes de que puedan superar la barrera y difundirse en la región de tipo P o tipo N.
Cuando los electrones se mueven desde el lado N de la unión PN hasta el agujero aniquilado en el lado P de la unión PN, se genera un voltaje de barrera de potencial. El valor de la tensión de barrera es cercano a 0,6-0,7 V en silicio y 0,3 V en germanio, y depende del nivel de dopaje en diferentes semiconductores.
Los bloques semiconductores de tipo P y tipo N que entran en contacto entre sí no tienen propiedades explotables. Para que la unión PN conduzca la electricidad, una fuente de voltaje externa debe pasar a través de la barrera de potencial. Si la fuente eléctrica está conectada de tal manera que el terminal positivo está conectado al lado P y el terminal negativo está conectado al lado N.
El terminal negativo proporciona electrones al tipo N, difundiéndolos en la capa de vacío. De manera similar, el terminal del ánodo elimina los electrones de tipo P, creando huecos que se difunden en la región vacía.
Si el suministro de la batería es lo suficientemente grande como para superar el voltaje de barrera, la mayoría de los portadores de carga de tipo N y tipo P se combinarán y agotarán la unión. Como resultado, un mayor número de portadores de carga se replican y fluyen hacia la zona de privación siempre que el potencial aplicado sea mayor que la barrera de potencial.
Por lo tanto, la mayor parte de la corriente de carga es conducida y fluye hacia la unión. Durante este enfoque, si la corriente se conduce debido a la mayoría de los portadores de carga, la unión PN se denomina polarización directa.
Cuando los terminales de la batería se invierten, la mayoría de los portadores de carga del tipo N son atraídos por el terminal positivo de la unión PN, y el orificio es atraído por el terminal negativo lejos de la unión PN.
El ancho de la capa privada aumenta con el potencial aplicado y, como resultado, no se produce ninguna recombinación de portadores de carga en la capa privada. Por lo tanto, no se produce la conducción de corriente eléctrica. Durante este enfoque, la unión PN se denomina polarización inversa.
Potencial incorporado de la unión PN
Los portadores de carga mayoritarios en la región de tipo N, es decir, los electrones, pueden cruzar la unión y recombinarse con la región de tipo P, es decir, los portadores de carga mayoritarios en los agujeros. Como resultado, se acumula una carga espacial estática negativa en la región de tipo P como resultado del átomo de boro de impureza trivalente, que se vuelve electrostáticamente negativo cuando libera agujeros cargados positivamente en la banda de valencia.
Las cargas espaciales positivas, por otro lado, se forman en la región de tipo N por razones similares. El pequeño volumen en el que se genera esta carga espacial se denomina región de carga espacial o zona de agotamiento. Debido a la presencia de un potente campo eléctrico en este pequeño volumen, la densidad del portador de carga libre es insignificante en equilibrio térmico.
Si los semiconductores de tipo P y tipo N se están acercando, pueden surgir barreras potenciales de la capa privada. De hecho, las cargas espaciales estáticas se acumulan en el límite de la unión PN, y la carga positiva en la región de tipo N y la carga negativa en la región de tipo P generan un campo eléctrico desde el tipo N hasta el tipo P, impidiendo la difusión y agregando la recombinación de electrones y huecos.
La difusión se detiene mediante la formación de un campo eléctrico interno. Debido a la presencia de esta doble capa de carga a ambos lados de la unión PN, la barrera de potencial cambia rápidamente dentro de la zona de agotamiento, y el Vd potenciométrico, llamado potencial de difusión o potencial incorporado, alcanza un valor que no se puede ignorar.
El potencial electrostático es constante en todo el cristal junto con la región de carga espacial, Esto se debe a que este potencial tiene en cuenta no solo el campo eléctrico, sino también la concentración del portador de carga. Debido a la concentración del portador de carga, el potencial incorporado compensa con precisión el potencial electrostático.
El potencial incorporado, o potencial de difusión, es proporcional a la diferencia en la energía de Fermi de dos semiconductores infinitos.
E = (1/q)*{EFP – EF&N} = (kT/q)ln{[NAND]/nSoy yo2}
Dónde es
- E es el voltaje de unión de polarización cero.
- (kT/q) tensión térmica de 26 mV a temperatura ambiente.
- NUn y NB es la concentración de impurezas en el átomo receptor y en el átomo donante.
- n es la concentración propia.
El potencial incorporado, o potencial de unión, de un semiconductor es igual al potencial de la región de agotamiento en equilibrio térmico. El equilibrio térmico significa que la energía de Fermi es constante en todo el dispositivo de diodo PN.
Por lo tanto, la energía de Fermi en la banda de conducción y la banda gástrica se mueve hacia arriba o hacia abajo, exhibiendo una desviación suave en el área de la suficiencia vacía. Como resultado, aparecen diferencias de energía potencial electrostática, como qV, entre las regiones de tipo P y tipo Nd.
El potencial externo necesario para superar el potencial de unión depende de la temperatura de funcionamiento y del tipo de semiconductor. Incluso si no se aplica un potencial externo al semiconductor, todavía hay algo de potencial de barrera debido al par electrón-hueco.
La unión PN se forma en un solo semiconductor y los contactos eléctricos se colocan alrededor de la superficie del semiconductor para permitir una conexión eléctrica a una fuente de alimentación externa. El dispositivo final resultante se denomina diodo de unión PN o diodo de señal.
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