Una unión p-n es un límite o interfaz entre dos tipos de materiales semiconductores , tipo p y tipo n , dentro de un monocristal de semiconductor. El lado "p" (positivo) contiene un exceso de agujeros , mientras que el lado "n" (negativo) contiene un exceso de electrones en las capas externas de los átomos eléctricamente neutros que se encuentran allí. Esto permite que la corriente eléctrica pase a través de la unión solo en una dirección. Las regiones de tipo p y n que crean la unión se crean dopando el semiconductor, por ejemplo mediante implantación de iones , difusión de dopantes o epitaxia (crecimiento de una capa de cristal dopado con un tipo de dopante encima de una capa de cristal). dopado con otro tipo de dopante).
Las uniones p-n son "bloques de construcción" elementales de dispositivos electrónicos semiconductores como diodos , transistores , células solares , diodos emisores de luz (LED) y circuitos integrados ; son los sitios activos donde tiene lugar la acción electrónica del dispositivo. Por ejemplo, un tipo común de transistor , el transistor de unión bipolar (BJT), consta de dos uniones p–n en serie, en la forma n–p–n o p–n–p; mientras que un diodo se puede fabricar a partir de una única unión pn. Una unión Schottky es un caso especial de unión ap-n, donde el metal cumple la función de semiconductor de tipo n.
La invención de la unión p-n generalmente se atribuye al físico estadounidense Russell Ohl de los Laboratorios Bell en 1939. [1] Dos años más tarde (1941), Vadim Lashkaryov informó sobre el descubrimiento de uniones p-n en fotocélulas de Cu 2 O y sulfuro de plata y rectificadores de selenio. [2] La teoría moderna de las uniones pn fue aclarada por William Shockley en su obra clásica Electrons and Holes in Semiconductors (1950). [3]
La unión p-n posee una propiedad útil para la electrónica semiconductora moderna. Un semiconductor dopado con p es relativamente conductor . Lo mismo ocurre con un semiconductor n-dopado, pero la unión entre ellos puede quedarse sin portadores de carga , dependiendo de los voltajes relativos de las dos regiones del semiconductor. Al manipular el flujo de portadores de carga a través de esta capa agotada, las uniones p-n se usan comúnmente como diodos : elementos de circuito que permiten un flujo de electricidad en una dirección pero no en la otra dirección (opuesta).
La polarización es la aplicación de un voltaje relativo a la región de unión ap-n:
Las propiedades de polarización directa e inversa de la unión p-n implican que se puede utilizar como diodo . Un diodo de unión p-n permite que los portadores de carga fluyan en una dirección, pero no en la dirección opuesta; los portadores de carga negativa (electrones) pueden fluir fácilmente a través de la unión de n a p pero no de p a n, y lo contrario ocurre con los portadores de carga positiva (huecos). Cuando la unión p-n está polarizada directamente, los portadores de carga fluyen libremente debido a la reducción de las barreras de energía que ven los electrones y los huecos. [4] Sin embargo, cuando la unión p-n tiene polarización inversa, la barrera de la unión (y por lo tanto la resistencia) se vuelve mayor y el flujo de carga es mínimo.
En la unión ap-n, sin un voltaje externo aplicado, se alcanza una condición de equilibrio en la que se forma una diferencia de potencial a través de la unión. Esta diferencia de potencial se llama potencial incorporado .
En la unión, algunos de los electrones libres del tipo n deambulan hacia el tipo p debido a una migración térmica aleatoria ("difusión"). A medida que se difunden en el tipo p, se combinan con los agujeros y se anulan entre sí. De manera similar, algunos de los huecos positivos del tipo p se difunden hacia el tipo n, se combinan con electrones libres y se anulan entre sí. Los átomos dopantes cargados positivamente ("donantes") del tipo n son parte del cristal y no pueden moverse. Por tanto, en el tipo n, una región cercana a la unión tiene una cantidad fija de carga positiva. Los átomos dopantes cargados negativamente ("aceptores") del tipo p son parte del cristal y no pueden moverse. Así, en el tipo p, una región cercana a la unión queda cargada negativamente. El resultado es una región cerca del cruce que actúa para repeler las cargas móviles lejos del cruce a través del campo eléctrico que crean estas regiones cargadas. Las regiones cercanas a la interfaz p-n pierden su neutralidad y la mayoría de sus operadores de telefonía móvil, formando la región de carga espacial o capa de agotamiento (ver figura A ).
El campo eléctrico creado por la región de carga espacial se opone al proceso de difusión tanto de los electrones como de los huecos. Hay dos fenómenos concurrentes: el proceso de difusión que tiende a generar más carga espacial y el campo eléctrico generado por la carga espacial que tiende a contrarrestar la difusión. El perfil de concentración de portadores en equilibrio se muestra en la figura A con líneas azules y rojas. También se muestran los dos fenómenos de contrapeso que establecen el equilibrio.
La región de carga espacial es una zona con una carga neta proporcionada por los iones fijos ( donadores o aceptores ) que han quedado descubiertos por la difusión de portadores mayoritarios . Cuando se alcanza el equilibrio, la densidad de carga se aproxima mediante la función escalonada mostrada. De hecho, dado que el eje y de la figura A es de escala logarítmica, la región está casi completamente agotada de portadores mayoritarios (dejando una densidad de carga igual al nivel neto de dopaje), y el borde entre la región de carga espacial y la región neutral es bastante nítido (ver figura B , gráfico Q(x)). La región de carga espacial tiene la misma magnitud de carga en ambos lados de las interfaces p-n, por lo que se extiende más en el lado menos dopado en este ejemplo (el lado n en las figuras A y B).
En polarización directa, el tipo p está conectado con el terminal positivo y el tipo n está conectado con el terminal negativo. Los paneles muestran el diagrama de bandas de energía , el campo eléctrico y la densidad de carga neta . Tanto las uniones p como las n están dopadas a un nivel de dopaje de 1e15 cm −3 (160 µC/cm 3 ), lo que lleva a un potencial incorporado de ~0,59 V. La reducción del ancho de agotamiento se puede inferir del movimiento de contracción del portador a través de la unión p–n. unión, lo que como consecuencia reduce la resistencia eléctrica. Los electrones que cruzan la unión p-n hacia el material tipo p (o los huecos que cruzan hacia el material tipo n) se difunden hacia la región neutra cercana. La cantidad de difusión minoritaria en las zonas casi neutrales determina la cantidad de corriente que puede fluir a través del diodo.
Sólo los portadores mayoritarios (electrones en material tipo n o huecos en material tipo p) pueden fluir a través de un semiconductor durante una longitud macroscópica. Teniendo esto en cuenta, considere el flujo de electrones a través de la unión. La polarización directa provoca una fuerza sobre los electrones que los empuja desde el lado N hacia el lado P. Con polarización directa, la región de agotamiento es lo suficientemente estrecha como para que los electrones puedan cruzar la unión e inyectarse en el material tipo p. Sin embargo, no continúan fluyendo a través del material tipo p indefinidamente, porque les resulta energéticamente favorable recombinarse con los agujeros. La longitud promedio que recorre un electrón a través del material tipo p antes de recombinarse se llama longitud de difusión y suele ser del orden de micrómetros . [5]
Aunque los electrones penetran sólo una corta distancia en el material tipo p, la corriente eléctrica continúa ininterrumpidamente, porque los huecos (los portadores mayoritarios) comienzan a fluir en la dirección opuesta. La corriente total (la suma de las corrientes de electrones y huecos) es constante en el espacio, porque cualquier variación provocaría una acumulación de carga con el tiempo (esta es la ley de corrientes de Kirchhoff ). El flujo de huecos desde la región de tipo p hacia la región de tipo n es exactamente análogo al flujo de electrones de N a P (los electrones y los huecos intercambian roles y los signos de todas las corrientes y voltajes se invierten).
Por lo tanto, la imagen macroscópica del flujo de corriente a través del diodo involucra electrones que fluyen a través de la región de tipo n hacia la unión, huecos que fluyen a través de la región de tipo p en dirección opuesta hacia la unión y las dos especies de portadores que se recombinan constantemente en las proximidades del cruce. Los electrones y los huecos viajan en direcciones opuestas, pero también tienen cargas opuestas, por lo que la corriente general va en la misma dirección en ambos lados del diodo, según sea necesario.
La ecuación del diodo de Shockley modela las características operativas de polarización directa de la unión ap-n fuera de la región de avalancha (conducción con polarización inversa).
Conectar la región de tipo p al terminal negativo del suministro de voltaje y la región de tipo n al terminal positivo corresponde a una polarización inversa. Si un diodo tiene polarización inversa, el voltaje en el cátodo es comparativamente mayor que en el ánodo . Por lo tanto, fluye muy poca corriente hasta que el diodo se rompe. Las conexiones se ilustran en el diagrama adyacente.
Debido a que el material tipo p ahora está conectado al terminal negativo de la fuente de alimentación, los ' agujeros ' en el material tipo p se separan de la unión, dejando atrás iones cargados y provocando que aumente el ancho de la región de agotamiento . Asimismo, debido a que la región de tipo n está conectada al terminal positivo, los electrones se alejan de la unión, con un efecto similar. Esto aumenta la barrera de voltaje causando una alta resistencia al flujo de portadores de carga, permitiendo así que una corriente eléctrica mínima cruce la unión p-n. El aumento de la resistencia de la unión p-n da como resultado que la unión se comporte como un aislante.
La intensidad del campo eléctrico de la zona de agotamiento aumenta a medida que aumenta el voltaje de polarización inversa. Una vez que la intensidad del campo eléctrico aumenta más allá de un nivel crítico, la zona de agotamiento de la unión p-n se rompe y la corriente comienza a fluir, generalmente mediante el proceso Zener o de ruptura de avalancha . Ambos procesos de descomposición no son destructivos y son reversibles, siempre que la cantidad de corriente que fluye no alcance niveles que provoquen que el material semiconductor se sobrecaliente y cause daño térmico.
Este efecto se utiliza con ventaja en los circuitos reguladores de diodos Zener . Los diodos Zener tienen un voltaje de ruptura bajo . Un valor estándar para el voltaje de ruptura es, por ejemplo, 5,6 V. Esto significa que el voltaje en el cátodo no puede ser más de aproximadamente 5,6 V mayor que el voltaje en el ánodo (aunque hay un ligero aumento con la corriente), porque el diodo se rompe. y, por lo tanto, conduce, si el voltaje aumenta. Esto, en efecto, limita el voltaje sobre el diodo.
Otra aplicación de polarización inversa son los diodos Varactor , donde el ancho de la zona de agotamiento (controlada con el voltaje de polarización inversa) cambia la capacitancia del diodo.
Para la unión ap-n, sea la concentración de átomos aceptores cargados negativamente y las concentraciones de átomos donantes cargados positivamente. Sean y las concentraciones de equilibrio de electrones y huecos respectivamente. Así, por la ecuación de Poisson:
donde es el potencial eléctrico , es la densidad de carga , es la permitividad y es la magnitud de la carga del electrón.
Para un caso general, los dopantes tienen un perfil de concentración que varía con la profundidad x, pero para un caso simple de una unión abrupta, se puede suponer que es constante en el lado p de la unión y cero en el lado n, y puede ser Se supone que es constante en el lado n de la unión y cero en el lado p. Sea el ancho de la región de agotamiento en el lado p y el ancho de la región de agotamiento en el lado n. Entonces, dado que dentro de la región de agotamiento, debe ser que
porque la carga total en el lado p y n de la región de agotamiento suma cero. Por lo tanto, dejando y representando toda la región de agotamiento y la diferencia de potencial a través de ella,
Y así, siendo el ancho total de la región de agotamiento, obtenemos
se puede escribir como , donde hemos dividido la diferencia de voltaje en el equilibrio más los componentes externos. El potencial de equilibrio resulta de las fuerzas de difusión y, por lo tanto, podemos calcularlo implementando la relación de Einstein y asumiendo que el semiconductor no está degenerado ( es decir , el producto es independiente de la energía de Fermi ):
La ecuación del diodo ideal de Shockley caracteriza la corriente a través de la unión ap-n en función del voltaje externo y las condiciones ambientales (temperatura, elección del semiconductor, etc.). Para ver cómo se puede derivar, debemos examinar las diversas razones de la corriente. La convención es que la dirección directa (+) apunte contra el gradiente de potencial incorporado del diodo en equilibrio.
![{\displaystyle -{\frac {\mathrm {d} ^{2}V}{\mathrm {d} x^{2}}}={\frac {\rho }{\varepsilon }}={\frac { q}{\varepsilon }}\left[(P_{0}-N_{0})+(C_{D}-C_{A})\right]}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/e906c406ff6246e9e44eb60f9848f08e369e0b3a)
![{\displaystyle \Delta V=\int _{D}\int {\frac {q}{\varepsilon }}\left[(P_{0}-N_{0})+(C_{D}-C_{A })\right]\,\mathrm {d} x\,\mathrm {d} x={\frac {C_{A}C_{D}}{C_{A}+C_{D}}}{\frac {q}{2\varepsilon }}(d_{p}+d_{n})^{2}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/cd6cc61e152020ce929d7d1c6c992dbe76b841cc)
