Comportamiento y Características Fundamentales de los Semiconductores Tipo Diodo

Fundamentos de los Semiconductores y Uniones PN

Dopaje y Tipos de Semiconductores

El dopaje supone la adición de átomos de impurezas a un cristal intrínseco para modificar su conductividad eléctrica. Un semiconductor dopado se denomina semiconductor extrínseco. Existen dos tipos principales:

• Semiconductores Tipo N: Son aquellos donde los electrones superan a los huecos. Los electrones reciben el nombre de portadores mayoritarios, mientras que los huecos se denominan portadores minoritarios.

La resistencia de un semiconductor dopado varía según la concentración de impurezas:

• Cuando un semiconductor está dopado ligeramente, presenta una resistencia alta.
• Cuando está dopado fuertemente, presenta una resistencia pequeña.

Zona de Deplexión

La formación de la zona de deplexión es crucial para el funcionamiento de la unión PN:

1. Debido a su repulsión mutua, los electrones libres en el lado N tienden a dispersarse. Algunos se difunden atravesando la unión hacia la región P.
2. Cuando un electrón libre entra en la región P, se convierte en un portador minoritario. Al encontrarse rodeado de huecos, el electrón cae en uno de ellos, desapareciendo el hueco y convirtiéndose el electrón en un electrón de valencia.
3. Cada vez que un electrón se difunde a través de la unión, se crea un par de iones.

Formación de Iones y Dipolos

• Al abandonar un electrón el lado N, deja un átomo pentavalente al que le falta una carga negativa; este átomo se convierte en un ion positivo (+).
• Cuando el electrón cae en un hueco en el lado P, el átomo trivalente que lo ha capturado se convierte en un ion negativo (-).

Los signos encerrados en círculos representan estos iones. Estos iones están fijos en la estructura del cristal y no pueden moverse como los electrones libres y los huecos.

Cada par de iones positivos y negativos unidos se denomina dipolo. Su creación provoca la desaparición de un electrón libre y un hueco. A medida que aumenta el número de dipolos, la región cercana se vacía de portadores; a esta zona se la conoce como zona de deplexión.

Polarización de la Unión PN

Polarización Directa

En la polarización directa:

• El terminal negativo de la fuente se conecta al cristal tipo N (cátodo).
• El terminal positivo se conecta al cristal tipo P (ánodo).

La batería empuja huecos y electrones libres hacia la unión. Si la tensión de la batería es menor que la barrera potencial, los electrones libres no tienen suficiente energía para atravesar la zona de deplexión.

Polarización Inversa

En la polarización inversa:

• El terminal negativo de la batería se conecta al terminal P.
• El terminal positivo se conecta al terminal N.

El terminal negativo de la batería atrae los huecos, y el positivo atrae los electrones libres. Como resultado, los huecos y electrones libres se alejan de la unión, y la zona de deplexión se ensancha. A mayor anchura de esta zona, mayor diferencia de potencial existe.

Incluso con polarización inversa, existe una pequeña corriente debida a la energía térmica, que crea electrones libres y huecos en ambos lados de la unión, existiendo pequeñas concentraciones de portadores minoritarios.

Ruptura del Diodo

La tensión de ruptura es el límite para la tensión máxima en inversa con que se puede polarizar un diodo sin riesgo de destruirlo.

Efecto Avalancha

Una vez alcanzada la tensión de ruptura:

1. Una gran cantidad de portadores minoritarios aparecen repentinamente en la zona de deplexión, y el diodo conduce descontroladamente.
2. Esto produce un efecto avalancha.
3. Cuando la tensión inversa aumenta, obliga a los portadores minoritarios a moverse más rápidamente.
4. De esta forma, chocan contra los átomos del cristal. Si dichos portadores adquieren energía suficiente, pueden golpear a los electrones de valencia y liberarlos.
5. Estos nuevos portadores minoritarios pueden unirse a los ya existentes para colisionar contra otros átomos, obteniéndose así más electrones libres.

Este proceso hace que el diodo conduzca grandes cantidades de corriente.