La unión PN en polarización directa o inversa
Conociendo un poco sobre los semiconductores, debes saber que existen dos tipos de semiconductores extrínsecos. Una de tipo P y otra de tipo N. Para el siguiente articulo buscamos conocer cómo se comporta la región de agotamiento de la unión PN en los tipos de polarización. Para esto veremos unos ejemplos visuales para que se entienda un poco mejor. Con el fin de conocer el funcionamiento de los semiconductores, principalmente los diodos y transistores.
Palabras clave
Electrones, enlaces covalente, dopaje, diferencia de potencial, región de agotamiento, barrera de potencial.
Los átomos de dos elementos se pueden unir mediante enlaces covalentes en los que los electrones de valencia de un átomo se comparten con los electrones de valencia del otro átomo próximo a él en parejas de dos electrones.
Observando la imagen anterior, podemos observar que se trata de una representación de unos átomos eléctricamente neutros, en este caso es un semiconductor de silicio. Sus 4 electrones de valencia unidos mediante enlaces covalentes, permite que se compartan los electrones en grupos de dos.
Semiconductores Tipo P
Los semiconductores extrínsecos del tipo P son material semiconductor a los que se les añade átomos de impurezas con 3 electrones de valencia.
Cuando se añade una impureza con menor número de electrones, se forma un hueco que espera ser llenado por otro electrón. Cuando esto suceda, tendremos un ion negativo.
Por ejemplo, en la imagen anterior podemos observar que se añadió un átomo de Boro como impureza, y al tener solo 3 electrones en su última capa, se forma un hueco que espera ser llenado.
Semiconductores Tipo N
Los semiconductores extrínsecos del tipo N están formados por átomos de material semiconductor, Silicio o Germanio, al que se le añade impurezas con átomos de otro material con 5 electrones de valencia.
Al adicionar impurezas con 5 electrones de valencia de otro átomo, ya sea Antimonio, Arsénico o Fósforo, se aportan electrones libres lo que aumenta considerablemente la conductividad.
Para estos semiconductores, los portadores mayoritarios son los electrones.
Por ejemplo, en la imagen anterior podemos observar que se añadió un átomo de Antimonio a la red de Silicio, lo que equivale a que un electrón queda libre, lo que permite que la red sea neutral.
La Unión PN
Cuando los materiales de tipo p y tipo n se colocan en contacto uno con otro, la unión se comporta de manera muy diferente a como lo hacen cada uno de los materiales por si solos.
Los círculos vacíos en el lado izquierdo de la unión de arriba a la derecha representan "huecos" o deficiencias de electrones en la red, que pueden actuar como portadores de carga positiva. Los círculos sólidos a la derecha de la unión representan los electrones disponibles desde el dopante de tipo n.
Cerca de la unión, los electrones se difunden a su través y se combinan con los agujeros, creando una "región de depleción", también conocida como región de agotamiento.
La representación visual superior de la derecha representaría la unión PN en una condición de equilibro, en otras palabras sería una polarización neutra o no polarizada.
Unión no polarizada
Un átomo de impureza de la zona P, que era neutro, ahora tiene un electrón más llegado de la zona N para formar enlace en el hueco que tenía.
Este átomo de impureza ahora quedará cargado negativamente (un electrón más) y se convertirá un anión o ion negativo.
Así mismo un átomo de impureza de la zona N quedará cargado positivamente porque se le ha ido un electrón y se convertirá un catión o ion positivo.
Existen dos tipo de uniones polarizadas:
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Polarización directa
Cuando la diferencia de potencial entre los bornes de la batería es mayor que la diferencia de potencial en la zona de carga espacial, los electrones libres del cristal N adquieren la energía suficiente para saltar a los huecos del cristal P, cayendo en uno de los múltiples huecos y a su vez convirtiéndose en un electrón de valencia. El electrón de valencia será atraído por el borne positivo de la batería creando así una corriente eléctrica.
La corriente circula fácilmente en un diodo de silicio polarizado en directa. Cuando la tensión aplicada sea mayor que la barrera de potencial (0,7 V para el silicio), habrá una gran corriente continua en el sentido P a N.
2. Polarización inversa
Si se invierte la polaridad de la fuente continua, hace que aumente la barrera de potencial, con lo que la corriente debida a los electrones libres que pasan del lado N al lado P será prácticamente nula.
El aprendizaje sobre la unión PN y las configuraciones de polarización directa e inversa es esencial para entender el comportamiento y la operación de dispositivos semiconductores. La unión PN, al formar la base de componentes como diodos y transistores, juega un papel crucial en la electrónica moderna. Comprender cómo se establece la barrera de potencial en la región de agotamiento, así como cómo cambia con la polarización directa e inversa, es fundamental para el diseño y análisis de circuitos.
La polarización directa permite el flujo de corriente a través de la unión, facilitando la operación normal de diodos y activando transistores. Por otro lado, la polarización inversa aumenta la barrera de potencial, bloqueando efectivamente el flujo de corriente.
Referencias bibliográficas:
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Manuel Rodriguez-Achach. (2013, November 8). La unión PN -- Electrónica básica. [Video]. YouTube. https://www.youtube.com/watch?v=9n9f0kSNdVY