Fundamentos y Comportamiento de la Unión PN en Semiconductores

La Unión PN: Definición y Formación

La unión PN es la interfaz formada por la unión de dos semiconductores extrínsecos: uno dopado con impurezas dadoras (tipo N) y otro con impurezas aceptoras (tipo P). Generalmente, ambos semiconductores se fabrican del mismo material base, en el cual se introducen impurezas de uno y otro tipo en regiones adyacentes mediante procesos de difusión o implantación iónica.

La Unión PN no Polarizada

Estado Inicial

Si se pudiera formar una unión PN uniendo un cristal de material semiconductor tipo N con otro de material semiconductor tipo P, inmediatamente después de la unión se iniciaría un proceso de difusión mutua. Esto se debe al elevado gradiente de concentración de portadores de carga libre entre los dos semiconductores.

Región Espacial de Carga

La difusión mutua de portadores de carga libres crea una región espacial de carga (también conocida como zona de deplexión) que se extiende a ambos lados de la unión. En esta región, no existen electrones ni huecos libres.

Como el cristal en su conjunto debe ser eléctricamente neutro, la carga neta en la región espacial de carga debe ser cero. La carga positiva en el lado N se equilibra con la carga negativa en el lado P. Si una de las dos partes tiene una mayor concentración de iones, esta región será más estrecha.

Barrera de Potencial

La región espacial de carga genera un campo eléctrico que apunta del lado N hacia el lado P. Este campo se opone a los movimientos de difusión que lo originaron.

Arrastre de Portadores

Los portadores minoritarios generados térmicamente cerca de la unión pueden ser "arrastrados" por el campo eléctrico existente.

Equilibrio de Corrientes

Los flujos de portadores mayoritarios por difusión mutua constituyen la corriente de difusión (I_D). Los flujos de portadores minoritarios generados térmicamente cerca de la unión y "arrastrados" por el campo eléctrico forman la corriente de deriva o arrastre (I_S). En equilibrio, y sin tensión externa aplicada, el flujo neto de corriente es nulo, y las dos corrientes opuestas son iguales (I_D = I_S).

Ruptura del Equilibrio en la Unión PN no Polarizada

1. Si I_D > I_S: La zona de carga espacial se ensancha, incrementando la altura de la barrera de potencial. Esto favorece la corriente de arrastre, restaurando el equilibrio.
2. Si I_D < I_S: La zona de carga espacial se estrecha, disminuyendo la altura de la barrera de potencial. Esto incrementa I_D, restaurando el equilibrio.

La Unión PN Polarizada Inversamente

Si aplicamos una tensión positiva al lado N respecto al lado P:

1. El campo eléctrico externo debido a la tensión aplicada refuerza el campo generado en la región espacial de carga.
2. Los electrones del lado N son atraídos hacia el terminal positivo de la fuente externa, y los huecos del lado P hacia el terminal negativo. La corriente de difusión se reduce prácticamente a cero con unas pocas décimas de voltio.
3. Los portadores mayoritarios se alejan de la unión, aumentando la región espacial de carga e incrementando la barrera de potencial (similar a la carga de un condensador).

Corriente en Polarización Inversa

Debido a la alta diferencia de potencial, un electrón generado térmicamente en la región P cerca de la unión puede atravesarla hacia el lado N. De igual manera, un hueco generado térmicamente en la región N cerca de la unión puede atravesarla hacia el lado P. Este flujo de portadores minoritarios a través de la unión genera una pequeña corriente de fugas, conocida como corriente de saturación. Teóricamente, esta corriente se debe solo al arrastre de portadores minoritarios generados térmicamente.