Este documento describe los fundamentos de la unión pn en los semiconductores y su aplicación en diodos. En 3 oraciones: La unión pn se forma cuando un semiconductor tipo n se une a uno tipo p, creando una zona de deplexión sin portadores entre ambos. Esta unión pn permite el flujo de corriente en un solo sentido, usándose en diodos. La polarización directa reduce la barrera de potencial permitiendo el flujo de corriente, mientras que la polarización inversa aumenta la barrera bloqueando el flujo excepto una pequeña cor

1. Universidad Politécnica de Chiapas
Ing. Biomédica
Fundamentos de Electrónica
Ing. Othoniel Hernández Ovando
Suchiapa, Chiapas a 17 de Enero de 2012

2. Por sí mismo, un cristal semiconductor tipo n tiene la misma utilidad que
una resistencia de carbón; lo que también se puede decir de un
semiconductor tipo p. Pero ocurre algo nuevo cuando un fabricante dopa
un cristal de tal manera que una mitad sea tipo p y la otra mitad sea tipo n.
La separación o frontera física entre un semiconductor tipo n y uno tipo p
se llama unión pn. La unión pn tiene propiedades tan útiles que ha
propiciado toda clase de inventos, entre los que se encuentran los diodos,
los transistores y los circuitos integrados.
Comprender la unión pn permite entender toda clase de dispositivos
fabricados con semiconductores.

3. En el momento que los materiales tipo p y tipo n son “unidos”,
los electrones y los huecos se combinan, dando por resultado
una falta de portadores en la región cercana a la unión.
A esta región de iones positivos y negativos se le llama región
de agotamiento o zona de deplexión, debido al agotamiento
de portadores en esta región.

4. Sin Polarización Polarización
Polarización Inversa Directa
VD = 0V VD < 0V VD > 0V

5. Debido a una repulsión mutua, los electrones libres en el lado n
se dispersan en cualquier dirección. Algunos electrones libres
se difunden y atraviesan la unión, cuando un electrón libre
entra en la región p se convierte en un portador minoritario y el
electrón cae en un hueco, el hueco desaparece y el electrón
libre se convierte en electrón de valencia. Cuando un electrón
se difunde a través de la unión crea un par de iones, en el lado
n con carga positiva y en el p con carga negativa.
Las parejas de iones positivo
y negativo se llaman dipolos,
al aumentar los dipolos la
región cerca de la unión se
vacía de portadores y se
crea la llamada "Zona de
deplexión".

6. Los dipolos tienen un campo eléctrico entre los iones positivo y
negativo, y al entrar los electrones libres en la zona de
deplexión, el campo eléctrico trata de devolverlos a la zona n.
La intensidad del campo eléctrico aumenta con cada electrón
que cruza hasta llegar al equilibrio.
El campo eléctrico entre Silicio = 0.7V
los iones es equivalente a
una diferencia de potencial
llamada "Barrera de
Potencial" que a 25 ºC
vale: Germanio = 0.3V

7. En condiciones sin polarización, los portadores minoritarios
(huecos) en el material tipo N que se encuentran dentro de la
región de agotamiento pasarán directamente al material tipo P
y viceversa.
En ausencia de un voltaje de polarización aplicado, el flujo
neto de carga (corriente) en cualquier dirección es cero
para un diodo semiconductor.

8. Un diodo está polarizado inversamente cuando tiene aplicado
un potencial de forma que el positivo esté conectado con el
material tipo N y el negativo al material tipo P.

9. En estas condiciones, las cargas positivas de la región P son
atraídas por el polo negativo y las cargas negativas de la
región N son atraídas por el polo positivo. El resultado es que,
en la zona de agotamiento, se forma una barrera de potencial
de considerable anchura que las cargas no pueden atravesar.

10. A mayor anchura de la zona de deplexión, mayor diferencia de
potencial, la zona de deplexión deja de aumentar cuando su
diferencia de potencial es igual a la tensión inversa aplicada
(V), entonces los electrones y huecos dejan de alejarse de la
unión.
Existe una pequeña corriente en polarización inversa, porque
la energía térmica crea continuamente pares electrón-hueco, lo
que hace que halla pequeñas concentraciones de portadores
minoritarios a ambos lados, la mayor parte se recombina con
los mayoritarios pero los que están en la región de agotamiento
pueden vivir lo suficiente para cruzar la unión y tenemos así
una pequeña corriente. ¿Corriente
Inversa?

11. La zona de deplexión empuja a los electrones hacia la derecha
y el hueco a la izquierda, se crea así una la "Corriente Inversa
de Saturación“ (IS) que depende de la temperatura.
IS = f(T)
Además hay otra corriente "Corriente Superficial de Fugas"
causada por las impurezas del cristal y las imperfecciones en
su estructura interna. Esta corriente depende de la tensión de
la pila (V ó VP).
If = f(VP)
Entonces la corriente en inversa (I ó IR) será la suma de esas
dos corrientes:
I = IS + If

12. En estas condiciones, las cargas positivas de la región P son
atraídas por el polo negativo y las cargas negativas de la
región N son atraídas por el polo positivo. El resultado es que,
en la zona de agotamiento, se forma una barrera de potencial
de considerable anchura que las cargas no pueden atravesar.

13. Se da la condición de polarización directa cuando el polo
positivo de la fuente de alimentación está conectado al material
tipo P y el negativo está conectado al material tipo N.

14. En estas condiciones, las cargas positivas de la región P se
sienten repelidas por la tensión positiva, acercándose a la
región de agotamiento. Algo similar ocurre con las cargas
negativas de la región N. De esta forma, las cargas positivas y
negativas están lo suficientemente cercanas que son capaces
de atravesar la delgada barrera de potencial y combinarse.

15. Lo que le sucede al electrón:
• Tras abandonar el terminal negativo de la fuente entra por el
extremo derecho del cristal. Se desplaza a través de la zona
n como electrón libre.
• En la unión se recombina con un hueco y se convierte en
electrón de valencia. Se desplaza a través de la zona p
como electrón de valencia. Tras abandonar el extremo
izquierdo del cristal fluye al terminal positivo de la fuente.
Mientras la fuente
de alimentación
continúe
conectada habrá
una circulación de
corriente.

16. Escala vertical está
en miliamperios
La tensión a través
de un diodo con
polarización directa
será de menos de
1 voltio.
Incremento de la
intensidad después
del punto de
inflexión de la
curva de respuesta.

17. La temperatura puede tener un marcado efecto sobre las
características de un diodo de silicio.
Mientras la temperatura
La intensidad de mejora las
saturación inversa características en
IS será casi igual al polarización directa,
doble en magnitud haciéndolo más ideal.
por cada 10 ºC de En la región de
incremento de la polarización inversa se
temperatura. produce un incremento
no deseado en la IS.