Fundamentos de la Unión PN y el Diodo Semiconductor: Funcionamiento y Modelos

Corriente Inversa en la Unión PN

La corriente inversa en una unión PN presenta las siguientes características:

• A una temperatura dada, es casi independiente de la tensión inversa aplicada.
• Aumenta con la temperatura.
• Es aproximadamente proporcional al área de la unión.
• Disminuye al incrementar el grado de dopaje (al aumentar la cantidad de portadores mayoritarios, disminuye la de portadores minoritarios).

En un diodo real, en la corriente inversa también intervienen procesos físicos de segundo orden no considerados. De forma que la corriente inversa se incrementa ligeramente con la tensión inversa aplicada.

La Unión PN en Polarización Directa

Si aplicamos una tensión positiva al lado P respecto al N, se observan los siguientes efectos:

1. El campo eléctrico externo debido a la tensión aplicada tiene un efecto contrario al del generado en la región espacial de carga (zona de agotamiento).
2. Inicialmente, la fuente externa proporciona portadores mayoritarios a ambos lados de la unión, que neutralizan parte de la carga iónica, reduciendo la región espacial de carga.
3. La barrera de potencial para los portadores mayoritarios se reduce.

La inyección de portadores de carga libres mayoritarios en cada región semiconductora se ve favorecida. Tras cruzar la región espacial de carga, dichos portadores se convierten en minoritarios, difundiéndose hasta que se recombinan con los mayoritarios. Dado que puede fluir una corriente elevada por la unión, se requiere una resistencia para su limitación.

Inyección de Portadores Minoritarios

Después de atravesar la unión y superar la barrera de potencial, los portadores "inyectados" se convierten en minoritarios. Su concentración decrece al alejarse de la unión, pues se recombinan con los portadores mayoritarios a medida que se difunden.

Corriente en Polarización Directa

La corriente directa tiene dos componentes principales:

• Flujo de electrones que atraviesa la unión de la zona N a la P.
• Flujo de huecos que atraviesa la unión de la zona P a la N.

El diseñador puede determinar el flujo de portadores predominante:

• Si el lado N está muy dopado comparado con el P (unión pn⁺), la corriente es determinada fundamentalmente por el flujo de electrones.
• Si el lado P está muy dopado comparado con el N (unión p⁺n), la corriente es determinada fundamentalmente por el flujo de huecos.

Modelo Matemático: Ecuación de Shockley

La ecuación de Shockley proporciona una relación matemática entre la corriente y la tensión en un diodo, bajo ciertas suposiciones simplificadas:

I_D = I_S (exp(V_D / (nV_T)) - 1)

Donde:

• I_D: Corriente a través del diodo.
• I_S: Corriente de saturación inversa.
• V_D: Tensión a través del diodo.
• n: Factor de idealidad (típicamente entre 1 y 2).
• V_T: Tensión térmica (kT/q, aproximadamente 26 mV a temperatura ambiente).

Representación gráfica de la ecuación de Shockley (para un diodo de Si con I_s = 10^-12 A y n=1):

Curva Característica Estática de un Diodo Real

• La corriente inversa se duplica, a grandes rasgos, cada 10ºC de incremento de temperatura.
• Dado que tanto I_s como V_T dependen de la temperatura, en polarización directa la caída de tensión entre los extremos del dispositivo, para una misma corriente directa, disminuye aproximadamente 2 mV por cada incremento de 1ºC en la temperatura.

A menor gap de energía prohibida:

• Mayores concentraciones de portadores minoritarios.
• Mayor corriente de saturación.
• Mayor corriente directa e inversa.

Mecanismos de Almacenamiento de Carga

Un condensador se construye separando dos placas conductoras con un material aislante. La carga neta en cada placa es proporcional a la tensión aplicada: Q = C * V.

Capacidad de Difusión

Es la capacitancia dominante en polarización directa. Si aumenta la tensión directa aplicada, se incrementa la corriente directa. Se produce un aumento de la concentración de portadores minoritarios, lo que requiere un cierto tiempo y se asocia a la llamada capacidad de difusión.