Uniones semiconductores

Electrónica. Uniones PN de diodos. Donadores y aceptadores. Polarización directa e inversa

  • Enviado por: Antonio Jesús Lendinez
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-UNIONES SEMICONDUCTORES

-Semiconductores extrínsecos. Donadores y aceptadores.

Se denominan semiconductores extrínsecos a aquellos semiconductores puros a los que se les han introducido impurezas en pequeñísimas cantidades, con el propósito de aumentar su conducción.

Estas impurezas suelen ser elementos pertenecientes a los grupos tercero y quinto de la tabla periódica y se mezclan con el germanio o el silicio en estado de fusión para que algunos átomos de estos sean sustituidos por átomos de impureza durante el proceso de cristalización.

Este efecto se denomina “dopado” y según sea el elemento utilizado como impureza del grupo tercero o quinto el semiconductor se denomina de tipo P o N respectivamente.

Veamos el porqué de estas denominaciones y como influye el dopado en el aumento de la capacidad conductora del material.

Tomemos el germanio como material semiconductor puro, añadámosle, en estado de fusión impurezas del grupo quinto, por ejemplo Sb. Al cristalizar algunos átomos de Ge habrán sido sustituidos por los de Sb sin distorsionar la red cristalina dada la pequeña proporción de las impurezas.

Como es sabido , el Sb tiene cinco electrones de valencia por lo que solo cuatro de ellos podrán formar enlace covalente con sus vecinos átomos de Ge. Ello supone que el quinto electrón quede unido, muy débilmente, al núcleo de Sb y se necesite una energía tan pequeña para separarlo de el que puede considerarse como electrón libre y por tanto, utilizarse en la conducción como portador de carga.

Estos elementos que al ser introducidos como impureza dan un exceso de electrones libres , se denominan donadores.

Al tener el átomo de Sb cinco electrones en su ultima capa, uno de ellos no puede situarse en la banda de valencia del germanio puro que queda completa con cuatro electrones. Sin embargo el hecho de haber introducido la impureza modifica la distribución de los niveles energéticos de manera que se crea un nuevo nivel de energía disponible, dentro de la banda prohibida, que contiene ese quinto electrón.

Este nivel se sitúa muy cerca del nivel inferior de la banda de conducción a una distancia equivalente a la energía necesaria para separarlo del núcleo de Sb.

Se comprende que el mas pequeño aporte de energía hará que este quinto electrón pase a la banda de conducción dejando el átomo de Sb ionizado.

La carga positiva es inmóvil por pertenecer al núcleo pero, por el contrario, los electrones en la banda de conducción son fácilmente desplazables y dan lugar a una corriente eléctrica cuando se aplica una campo exterior.

Cuando se introducen impurezas del grupo tercero por ejemplo In el proceso es análogo pero del signo contrario.

Al finalizar la cristalización un átomo de In ha sustituido a uno de Ge.

Como el In solo tiene tres electrones de valencia para compartir, habrá un hueco o falta de electrón en uno de los enlaces con el Ge.

Este tipo de impurezas que proporciona un exceso de huecos se denominan aceptadoras por dar lugar a una configuración que posibilita la aceptación de un electrón para cubrir un hueco.

En este caso aparece un nuevo nivel de energia disponible en la banda prohibida muy cerca del nivel superior de la banda de valencia .Asi pues con un pequeño aporte de energia algunos electrones de la banda de valencia pueden pasar a ocupar el nuevo nivel. Este movimiento de electrones crea huecos en la banda de valencia que se desplazan dentro de la misma como se explico para semiconductores intrínsecos.

Se puede decir que a temperatura ambiente todos los átomos de impureza están ionizados y por tanto, la corriente en los donadores será debida, sobre todo, a electrones ya que habrá muchos mas de estos en la banda de conducción que huecos en la de valencia. En los aceptadores , será debida a los huecos por la razón inversa. Por ello a los primeros se les llama semiconductores del tipo N (portadores negativos) debido a que los electrones son mayoritarios y a los segundos semiconductores de tipo P (portadores positivos) por la razón contraria.

Si los semiconductores tienen ambos tipos de impureza, las concentraciones de electrones y huecos vienen reguladas, en cada zona, por la ley de acción de masa que se expresa: Nn Pn =Np Pp =N1^2

Donde Nn y Pn, son las concentraciones de electrones y huecos respectivamente en la zona de tipo N ;Np y Pp, las concentraciones de electrones y huecos respectivamente en la zona de tipo P y n1 la concentración intrínseca. Ello indica que la ecuación general de equilibrio en un semiconductor puro, sigue siendo válida para un semiconductor con impurezas.

Por otra parte en los diagramas de distribución de niveles y de ocupación de los mismos que representan un semiconductor dopado con impurezas de tipo P y N pero con n>p; puede verse que el nivel de Fermi se encuentra situado en una posición intermedia dentro de la banda prohibida, pero mas próximo a la banda de conducción que a la de valencia a causa del predominio de la concentración de electrones sobre la de huecos.

Uniones entre semiconductores de distinta naturaleza. Zona de transición y potencial de contacto.

Cuando se introducen en uno de los extremos de un semiconductor impurezas de tipo P y en el otro impurezas de tipo N, de forma que una zona del cristal pueda considerarse aceptadora y otra donadora, se forma una unión PN. Se tendrá igualmente una unión PN cuando unamos mediante aleación dos semiconductores de tipo P y N.

El razonamiento empleado para explicar el concepto de potencial de equilibrio también sirve en este caso. La diferencia de concentraciones a uno y a otro lado de la unión provoca el efecto de difusión y como consecuencia se forma progresivamente un campo eléctrico en las cercanías de la unión que se opone al efecto de difusión. Con el tiempo, campo eléctrico y difusión se equilibran resultando en las proximidades de la unión , una zona llamada “zona de transición” y un potencial de equilibrio llamado “potencial de reposo”.Veamos todo esto de una forma mas detallada.

Consideremos una unión PN en el instante justo en que se han unido los semiconductores P y N sin que se haya producido todavía el efecto de difusión.

Suponiendo que a temperatura ambiente todos los átomos de impureza están ionizados, hemos representado los iones de la zona P como negativos, cuya carga está compensada por un hueco y los de la zona N como positivos con su carga compensada por un electrón.

Los atomos ionizados estarán estadísticamente fijos en la red cristalina, mientras que los electrones y huecos serán fácilmente desplazables.

Debido a la gran diferencia de concentración de portadores del mismo tipo entre una y otra zona , se producirá el efecto de difusión, pasando los electrones de la zona N a la P y los huecos de la zona P a la N.

El traslado de huecos de la zona P a la N dejará en aquella átomos ionizados negativamente, esto es, sin compensar, de la misma forma, el traslado de electrones de la zona N a la P dejará en la primera atomos ionizados positivamente.

Con ello en la zona P se tendrá un exceso de cargas negativas y en la N de cargas positivas formándose un campo electrico en las inmediaciones de la unión que se opone al efecto de difusión. Puesto que el exceso de cargas negativas en la zona P dificultará progresivamente el traslado de huecos a la N y análogamente el exceso de cargas positivas en la zona N hará cada vez mas difícil el paso de electrones a la P.

Los atomos ionizados mas cercanos a la unión tanto de una zona como de otra serán los primeros en quedar desprovistos de sus portadores. Esto da lugar en las cercanias de la unión a una zona llamada Zona de transición en la que solo existen atomos ionizados y no portadores de carga.

Cuando se alcanza el equilibrio, los efectos de campo y difusión se ajustan entre si para que la corriente neta a través de la union sea nula.

Como consecuencia de la aparición del campo electrico interno en el semiconductor, se establece una diferencia de potencial entre los dos extremos de la zona de transición que se denomina potencial de reposo y suele ser de unas decimas de voltio. En el caso particular que la unión PN se haya formado por aleación, el potencial de reposo se denomina también potencial de contacto. En cuanto a la zona de transición su anchura es del orden de la longitud de onda de la luz visible (0,5 micras).

Esta zona supone una barrera contra la fluencia de huecos de la zona P a la N, por lo que solo pasarán aquellos cuya energía sea mayor que la representada por la altura de la curva de potencial.

De igual manera supone una barrera para los electrones mayoritarios de la zona N puesto que, siendo su carga de signo negativo se verán repelidos por un potencial menor.

Por otra parte el paso de los portadores minoritarios de ambas zonas a traves de la unión se ve facilitado por el efecto de campo electrico. Con todo ello tenemos cuatro componentes de intensidad que atraviesan la union :

-Ifp: corriente de huecos mayoritarias de la zona P con suficiente energia para superar la barrera de potencial de la union y pasar a la zona N.

-Ifn: corriente de electrones mayoritarios de la zona N con suficiente energía para superar la barrera de potencial de la unión y pasar a la zona P.

Ign: corriente de electrones minoritarios de la zona P ( debidos a agitación termica) y cuyo paso a la zona N se ve facilitado por el efecto de campo electrico.

Igp: corriente de huecos minoritarios de la zona N( debidos a agitación termica) y cuyo paso a la zona P se ve facilitado por el efecto de campo electrico.

Las corrientes Ifp y Ifn son del mismo signo ya que electrones y huecos se desplazan en sentidos contrarios formando la corriente If=Ifp+Ifn. De igual manera las corrientes generadas por agitación termica se suman dando como resultado Ig=Igp+Ign.

Puesto que ambas componentes If e Ig llevan sentidos opuestos y en circuito abierto la corriente total debe ser nula, las cuatro corrientes anteriores tienen que compensarse dos a dos.

Así pues en ausencia del campo externo la unión PN ajusta los efectos de campo y difusión para que la corriente resultante sea nula.

Veamos que ocurre en presencia de un campo eléctrico, es decir, cuando polarizamos la unión.

La unión PN polarizada. Polarización directa e inversa

Cuando se aplica una tensión externa entre los extremos de una unión P-N de forma que el potencial positivo de Ue coincida con la zona P y el negativo con la N, la polarización recibe el nombre de directa y la unión se comporta de manera que favorece el paso de la corriente.

Ello puede explicarse teniendo en cuenta que al aplicar una tensión externa del modo indicado , los huecos de la zona P y los electrones de la zona N son repelidos hacia la zona de transición por el terminal positivo y negativo respectivamente. Todo ello supone una afluencia de portadores de carga desde ambos lados hacia la unión que la hacen mas estrecha y conductora. El campo creado por Ue es del sentido contrario al que se origina en el interior de la union provocando la disminución de la barrera de potencial frente a la de equilibrio sin polarizar.

Esta disminución de la barrera de potencial supone una afluencia de portadores mayoritarios de ambas zonas hacia la unión. Como consecuencia, las corrientes de portadores mayoritarios If aumentan en tal grado que las Ig de minoritarios pueden despreciarse.

En definitiva con la polarizacion directa la union facilita el paso de la corriente, aumentando sustancialmente las corrientes de mayoritarios menos dependientes de la temperatura que las de minoritarios.

Cuando de manera opuesta a la de anterior, polarizamos un cristal PN de forma que el terminal positivo esté en N y el negativo en P se dice que está en inverso.

Este tipo de polarización introduce cambios en la anchura de la zona de transición y en el valor del potencial de equilibrio que llevan a la union PN a comportarse de manera que bloquea el paso de la corriente. Este hecho puede explicarse del siguiente modo.

El campo externo explicado en bornas de la union PN obliga a los electrones y huecos de la zona de transición a salir de ella. Los huecos se desplazaran hacia la zona N al ser atraídos por el potencial negativo y los electrones a la zona P por ser arrastrados por el potencial positivo.

Con ello, la zona de transición quedará desprovista en parte de electrones y huecos que puedan actuar como portadores de carga, haciendose menos conductora y mas ancha. Este hecho modifica la distribución de carga espacial.

La barrera de potencial de la unión queda aumentada en la tensión externa debido a que el campo electrico creado por Ue es del mismo sentido que el originado interiormente en la zona de transición.

Este aumento en el potencial de barrera supone una disminución de las componentes Ifp e Ifn de portadores mayoritarios, puesto que la energia que deben alcanzar para superar esta barrera es mucho mayor que la necesaria en el equilibrio sin polarizar.

Como consecuencia las componentes de mayoritarios se hacen despreciables frente a las componentes Igp e Ign de minoritarios. Estas ultimas son poco dependientes de la altura de la barrera de potencial por ser debida a la rotura de los enlaces covalentes como consecuencia del efecto termico y por tanto, dependientes de la temperatura.

En definitiva, tal y como hemos polarizado la unión esta solo deja pasar una pequeña corriente llamada de saturación que depende casi con exclusividad de la temperatura.

Utilidad de las uniones

Las características de las uniones PN tienen su principal aplicación en la fabricación de diodos, que son dispositivos con una unión PN cuya principal función es la de conducir un flujo de corriente cuando la polarización es directa y bloquearla cuando está en inversa.

Esta propiedad tambien se utiliza para rectificar corriente alterna a continua, con un diodo conectado en serie para media onda o un “puente de diodos” conectado a la entrada del circuito para rectificar la onda completa.

Tambien se puede aprovechar la tensión de avalancha (tensión máxima de polarización inversa) para fabricar diodos especiales denominados zener, cuya característica es que la tensión de polarización inversa permanece constante al variar la intensidad del catodo al ánodo en un determinado valor de fabricación, esta peculiaridad es util para construir estabilizadores de tensión.

Los diodos foto-emisores son diodos con un semiconductor de arseniuro de galio, que se caracteriza por desprender energía en forma de radiación, esté o no en el espectro visible.

Los fotodiodos crean pares electrón-hueco al incidir la luz sobre ellos, transformándose la radiación en corriente.

Los transistores mas populares son dos uniones en serie que pueden ser de tipo PNP o NPN. Su cualidad es que al fluir una corriente desde la unión central P a la unión tipo N (ejemplo de tipo NPN), fluye una intensidad mucho mayor desde la otra unión N hacia la N anterior de forma proporcional a la intensidad que insertemos. Con esta propiedad podemos construir amplificadores de tensión o de corriente.

Biliografia utilizada:

Componentes electrónicos - A. Arnau Vives y J.M. Ferrero Corral

Universidad politécnica de Valencia

Electrónica Analógica - L. Cuesta, A. Gil Padilla y F. Remiro

Mc Graw Hill

Principios de electrónica - Malvino

McGraw Hill