Funcionamiento del Diodo de Unión PN: Equilibrio y Polarización

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

Un diodo de unión 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 unión pn se produce por la difusión en estado sólido de un tipo de impureza en material tipo n ya existente.

El Diodo de Unión PN en Equilibrio

Se considerará un caso ideal en el cual se unen semiconductores de silicio tipo p y tipo n para formar una unión. Antes de la unión, 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.

Una vez formada la unión pn, los portadores mayoritarios cerca o en la unión se difunden a través de la misma y se recombinan. Puesto que los iones restantes cerca o en la unión 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 unión, el proceso se interrumpe debido a que los iones negativos fijos repelen a los electrones que cruzan la unión hacia el material tipo p. De manera similar, los huecos que cruzan la unión son repelidos por los iones positivos fijos en el material tipo n. Estos iones inmóviles en la unión crean una zona agotada de portadores mayoritarios, conocida como región de agotamiento.

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

El Diodo de Unión PN Polarizado Inversamente

Cuando se aplica un voltaje externo a una unión pn, se dice que está polarizada. Se dice que la unión pn está inversamente polarizada si el material tipo n de la unión se conecta a la terminal positiva de la fuente externa y 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 fuente, alejándose de la unión, y los huecos del material tipo p son atraídos a la terminal negativa de la fuente, alejándose de la unión.

El movimiento de los electrones y huecos de los portadores mayoritarios lejos de la unión aumenta el ancho de su barrera, y como resultado, la corriente producida por los portadores mayoritarios no circulará.

Sin embargo, los portadores minoritarios generados térmicamente serán arrastrados hacia la unión, donde pueden combinarse y crear un flujo de corriente muy pequeño bajo condiciones de polarización inversa.

El Diodo de Unión PN Polarizado Directamente

El diodo de unión pn se dice que está polarizado directamente si el material tipo n de la unión se conecta a la terminal negativa de una fuente externa y el material tipo p se conecta a la terminal positiva. En este arreglo, los portadores mayoritarios son repelidos hacia la unión y pueden combinarse; es decir, los electrones son repelidos desde la terminal negativa de la fuente hacia la unión y los huecos son repelidos desde la terminal positiva hacia la unión.

En el caso de la polarización directa (con respecto a los portadores mayoritarios), la barrera de energía en la unión se reduce, permitiendo que algunos electrones y huecos crucen la unión y se recombinen. Durante la polarización directa de una unión pn, los electrones de la fuente externa entran en el material tipo n del diodo.

Por cada electrón que cruza la unión y se recombina con un hueco, entra otro electrón desde la fuente externa. Además, por cada hueco que se recombina con un electrón en el material tipo n, se forma un nuevo hueco cuando un electrón deja el material tipo p y fluye hacia la terminal positiva.