Semiconductores portadores de carga roca

Los dispositivos semiconductores más comunes dependen de las propiedades de la frontera entre los materiales tipo p y tipo n y, en consecuencia, se examinarán algunas de las carácterísticas de esta frontera.

Un diodo de uníón pn puede producirse haciendo crecer un solo cristal de silicio intrínseco e impurificándolo primero con material de tipo n y después con material de tipo p. Sin embargo, de manera más común, la uníón pn se produce por la difusión en estado sólido de un tipo de impureza en material tipo n existente.

• El diodo de uníón pn en equilibrio

Se considerará un caso ideal en el cual se unen semiconductores de silicio tipo p y tipo n para formar una uníón. Antes de ésta, ambos tipos de semiconductores son eléctricamente neutros. En el material tipo p los huecos son los portadores mayoritarios y los electrones los portadores minoritarios. En el material tipo n los electrones son los portadores mayoritarios y los huecos los minoritarios.

Después de unir los materiales tipo p y n (es decir, después de que se forme la uníón pn) los portadores mayoritarios cerca o en la uníón se difunden a través de la misma y se recombinan. Puesto que los iones restantes cerca o en la uníón son físicamente más grandes y pesados que los electrones y huecos, permanecen en sus posiciones en la red de silicio.

Después de unas cuantas recombinaciones de portadores mayoritarios en la uníón, el proceso se interrumpe debido a que los iones negativos grandes repelen a los electrones que cruzan la uníón en el material tipo p. De manera similar, los huecos que cruzan la uníón se repelen por causa de los iones positivos grandes en el material tipo n. Estos iones inmóviles en la uníón crean una zona agotada de portadores mayoritarios que se conoce como regíón de agotamiento.

En condiciones de equilibrio, es decir, de circuito abierto, existe ahí una diferencia de potencial o barrera para el flujo de portadores mayoritarios. De este modo, no hay flujo de corriente neta.

• El diodo de uníón pn polarizado inversamente

Cuando se aplica un voltaje externo a una uníón pn, se dice que ésta está polarizada. Se dice que la uníón pn está inversamente polarizada si el material tipo n de la uníón se conecta a la terminal positiva de la batería y si el material tipo p se conecta a la terminal negativa.

Con este arreglo, los electrones del material tipo n son atraídos a la terminal positiva de la batería lejos de la uníón y los huecos del material tipo p son atraídos a la terminal negativa de la batería lejos de la uníón.

El movimiento de los electrones y huecos de los portadores mayoritarios lejos de la uníón aumenta su ancho de barrera, y como resultado la corriente que se produce a partir de los portadores mayoritarios no circulará.

Sin embargo, los portadores minoritarios generados térmicamente serán arrastrados hacia la uníón de manera que puedan combinarse y crear un flujo de corriente muy pequeño bajo condiciones de polarización inversa.

• El diodo de uníón pn polarizado directamente

El diodo de uníón pn se dice que está polarizado directamente si el material tipo n de la uníón se conecta a la terminal negativa de una batería externa y si el material tipo p se conecta a la termina positiva. En este arreglo los portadores mayoritarios se repelen hacia la uníón y pueden combinarse; esto es, los electrones se repelen lejos de la terminal negativa de la batería hacia la uníón y los huecos se repelen alejándose de la terminal positiva hacia la uníón.

En el caso de la polarización directa, esto es polarización directa con respecto a los portadores mayoritarios, la barrera de energía en la uníón se reduce de manera que algunos electrones y huecos pueden cruzar la uníón y recombinarse subsecuentemente. Durante la polarización directa de una uníón pn, los electrones de la batería entran en el material negativo del diodo.

Por cada electrón que cruza la uníón y se recombina con un hueco, entra otro electrón desde la batería. Además, para cada hueco que se recombina con un electrón en el material tipo n, se forma un nuevo hueco siempre que un electrón deja el material tipo p y fluye hacia la terminal.