Unión p-n y diodo: comportamiento en circuito abierto, polarización y fuerzas magnéticas

Unión p-n: características y comportamiento en circuito abierto

Unión p-n: características, comportamiento en circuito abierto, polarización directa y polarización inversa.

Un diodo consiste en dos semiconductores extrínsecos, uno p y otro n unidos. Entre los semiconductores p y n se forma una zona de transición de pequeña anchura. Un diodo permite la corriente eléctrica fácilmente en un sentido, pero no en el opuesto.

Circuito abierto

Si N_d es la concentración de impurezas donadoras en el semiconductor n y N_a la de impurezas aceptadoras en el p, se tiene en equilibrio térmico:

• En la zona p: p_p = N_a; n_p = n_i² / N_a.
• En la zona n: n_n = N_d; p_n = n_i² / N_d.

El gradiente de concentración de huecos y electrones entre las dos zonas da lugar a una corriente de difusión a través de la zona de transición. Los portadores mayoritarios que atraviesan la zona de transición se recombinan, originando una zona de cargas descubiertas en la región de unión. Las cargas de la zona de transición originan una diferencia de potencial que da lugar a un salto energético entre las bandas de energía en las zonas p y n. Este salto debe vencerse para que exista corriente eléctrica.

Polarización directa

Si el cristal p está conectado a un potencial mayor que el n, se dice que el diodo tiene polarización directa. Los portadores mayoritarios de cada cristal se ven atraídos hacia la zona de transición y esta se estrecha. La barrera de potencial entre los dos cristales disminuye debido al potencial aplicado. El menor potencial permite la difusión de portadores mayoritarios entre los dos cristales. Esta corriente aumenta con el potencial externo.

Polarización inversa

Si el cristal p está conectado a un potencial menor que el n, se dice que el diodo tiene polarización inversa. Los portadores mayoritarios de cada cristal se ven atraídos lejos de la zona de transición y esta se hace más ancha. La barrera de potencial entre los dos cristales crece debido al potencial aplicado. Aparece una pequeña corriente (corriente inversa de saturación) debida a los portadores minoritarios.

Fuerza magnética sobre cargas y corrientes

Fuerza magnética sobre cargas puntuales

Si en una región del espacio existe un campo magnético y en ella se introducen partículas con diferentes cargas y velocidades, se observa que sobre ellas aparece una fuerza debida al campo magnético: F_m = q v × B.

Como esta fuerza F_m es siempre perpendicular a la velocidad v, no cambia su módulo (ni la energía cinética), solo cambia la dirección del movimiento.

Movimiento en un campo uniforme

Si se tiene una partícula cargada con carga q moviéndose con velocidad v en un campo magnético uniforme B, perpendicular a v, el resultado de la fuerza magnética F = q v × B será un movimiento circular cuyo sentido de giro depende del signo de q.

Fuerza magnética sobre una corriente

La fuerza sobre un conductor es el resultado de la fuerza sobre todas las partículas que originan la corriente. Si se tiene un conductor cilíndrico de longitud l y de sección A, con n cargas por unidad de volumen que se mueven con velocidad v, entonces la fuerza sobre el conductor será:

F = Σ_i F_carga,i = n q A l v × B.

Para un conductor no rectilíneo o un campo magnético no uniforme, la fuerza sobre el conductor debe calcularse mediante la integral:

F = ∫_cond dF = ∫_cond I dl × B.

Resumen y puntos clave

• La unión p‑n forma una zona de transición con carga espacial que genera una barrera de potencial.
• En polarización directa la barrera disminuye y aumenta la corriente por difusión de portadores mayoritarios.
• En polarización inversa la barrera aumenta y aparece una pequeña corriente de saturación debida a portadores minoritarios.
• Una carga en un campo magnético sufre una fuerza perpendicular a su velocidad: F = q v × B, provocando movimiento circular si B es uniforme y perpendicular a v.
• La fuerza sobre un conductor se obtiene sumando (o integrando) las fuerzas sobre las cargas que lo componen: F = ∫ I dl × B.