Diodo de unión pn y su principio de funcionamiento

Un diodo de unión pn es un dispositivo semiconductor monocristalino de dos terminales cuyo lado está dopado con aceptores y el otro lado con donantes. dopaje con el aceptor crea un semiconductor de tipo p, mientras que el dopaje con donantes produce un tipo n. Por lo tanto, se forma una unión pn en diodo.

La formación de la unión pn en un solo cristal debido al dopaje con material de tipo p y tipo n se muestra en la figura a continuación.

En la figura anterior, el lado izquierdo del cristal es de tipo p mientras que el lado derecho es de tipo n. Los iones donantes cargados positivamente en el tipo n se muestran con un signo más dentro de un círculo, mientras que los iones aceptores de carga negativa se muestran con un signo menos dentro de un círculo. El símbolo del circuito del diodo de unión pn se muestra a continuación.

Índice de contenidos

Principio de funcionamiento del diodo de unión pn
Puntos para recordar

Principio de funcionamiento del diodo de unión pn

El principio de funcionamiento de un diodo de unión pn puede entenderse ampliamente en tres categorías: unión pn sin polarización, unión pn con polarización directa y unión pn con polarización inversa. Hablaremos de cada uno de ellos uno por uno.

Diodo de unión pn imparcial

Sin polarización significa que no hay fuente de voltaje conectada a través de los terminales del diodo de unión pn. Investiguemos los fenómenos que ocurren dentro de la unión.

Dado que el lado p y el lado n tienen huecos y electrones como portador mayoritario, la concentración de huecos está más en el lado p mientras que la concentración de electrones está más en el lado n. Debido a esta diferencia de concentración, los huecos comenzarán a difundirse hacia el lado n y los electrones comenzarán a difundirse hacia el lado p. En este proceso, los huecos y los electrones se recombinarán y, por lo tanto, se neutralizarán. Como resultado, los iones aceptores cerca del lado p y los iones donantes cerca del lado n quedan sin neutralizar. Este ion no neutralizado cerca de la unión pn se denomina carga descubierta. La carga descubierta positiva y negativa produce un campo eléctrico a través de la unión pn. La dirección de este campo eléctrico es del lado n al lado p. Este campo eléctrico creado por las cargas descubiertas en el diodo de unión pn se denomina campo de barrera. Este campo de barrera se opone a la difusión de huecos y electrones y se alcanza el equilibrio cuando la intensidad de este campo de barrera es suficiente para detener una mayor difusión de huecos y electrones a través de la unión pn. Después de esto, no habrá más difusión de portadores mayoritarios. Por lo tanto, la vecindad de la unión está desprovista de cargas libres y, por lo tanto, esta región de la unión pn se denomina Region de agotamiento. Los términos agotamiento en sí mismo significa que hay un agotamiento de las cargas libres en la región, es decir, unión pn.

La diferencia de potencial entre la unión pn se llama Potencial de barrera. La principal razón para la generación de potencial de barrera es la separación de carga debido al proceso de difusión. Esto conduce a la producción de un campo de barrera y, por lo tanto, al potencial de barrera asociado. El valor de esta barrera de potencial depende del semiconductor, el dopaje y el ancho de la región de agotamiento. Cuanto mayor sea el ancho de la región de agotamiento, mayor será el potencial de barrera.

Debido a esta barrera de potencial, es necesario trabajar para llevar un agujero del lado p al lado n. Similar es el caso del electrón. Si se supone que el potencial de barrera es VB, entonces el trabajo necesario para llevar un agujero del lado p al lado n será igual a eVB. Por lo tanto, observamos que existe una barrera de potencial a través de la unión pn del diodo. Entonces, ¿debemos poder medir esto usando un voltímetro? Si alguna vez intenta medir este voltaje conectando el cable del voltímetro a través de las terminales del diodo, obtendrá una lectura cero. ¿No es una contradicción? Es cierto que existe una barrera de potencial, pero al mismo tiempo también es cierto que existe una caída de tensión de contacto entre el semiconductor y el contacto metálico. El potencial de barrera se equilibra exactamente con el potencial de contacto en los contactos metal-semiconductor en los extremos de los terminales del diodo. Esta es la razón por la que el voltímetro no puede medir el potencial de barrera del diodo.

Para resumir, no hay flujo de corriente en un diodo de unión pj no polarizado. Es solo un dispositivo bajo esta condición.

Diodo de unión pn con polarización directa

Se dice que un diodo de unión pn tiene polarización directa si la placa positiva de la batería está conectada al lado p y la placa negativa al lado n. En la siguiente figura se muestra un diodo con polarización directa.

Dado que los lados p y n están conectados a la placa positiva y negativa de la batería respectivamente, la placa positiva forzará los agujeros en el lado p hacia el lado n y atraerá los electrones en el lado n hacia el lado p. De manera similar, la placa negativa empujará los electrones en el lado n y atraerá los huecos en el lado p. Así, tanto la placa positiva como la negativa ejercen una fuerza para el flujo de huecos y electrones. Si el voltaje de la batería es mayor que el potencial de barrera, los huecos y los electrones tendrán suficiente energía para cruzar la unión pn. Posteriormente, el flujo de corriente comenzará a través del diodo de unión pn. También se debe tener en cuenta que el ancho de la región de agotamiento disminuirá en condiciones de polarización directa. Por lo tanto, en el diodo con polarización directa, la corriente fluye del ánodo al cátodo o del lado p al lado n, como se muestra en la figura anterior.

Para resumir, un diodo con polarización directa actúa como un interruptor cerrado siempre que el voltaje de polarización directa sea mayor que el potencial de barrera. Si el voltaje de polarización directa es menor que la barrera de potencial, la energía impartida por la batería a los electrones y los huecos no será suficiente para cruzar la unión pn. Por lo tanto, bloqueará el flujo de corriente. Así observamos que un diodo no es un dispositivo bilateral. Tenga en cuenta que el dispositivo bilateral es una vez que permite el flujo de corriente en ambas direcciones.

Diodo de unión pn con polarización inversa

Se dice que un diodo de unión pn tiene polarización inversa si la placa positiva de la batería está conectada al lado n y la placa negativa al lado p. En la siguiente figura se muestra un diodo con polarización inversa.

En condiciones de polarización inversa, el ancho de la región de agotamiento aumenta a medida que el voltaje de la batería aleja los agujeros en el lado p y los electrones en el lado n de la unión. Por lo tanto, no habrá ningún flujo de huecos y electrones a través de la unión. Posteriormente, no habrá ningún flujo de corriente a través del diodo de unión pn.

Pero el flujo de portadores minoritarios, es decir, electrones en el lado p y huecos en el lado n, no se ven afectados. Cabe señalar que la concentración de portador minoritario depende de la temperatura. Estos son portadores minoritarios generados térmicamente en los lados p y n. Debido al flujo del portador minoritario a través de la unión, una pequeña corriente fluye del cátodo al ánodo. Esta corriente se llama corriente de saturación inversa. El valor de la corriente de saturación inversa es independiente del voltaje de polarización inversa pero depende de la temperatura de la unión. Su valor aumenta con el aumento de la temperatura de unión. El flujo de corriente de saturación inversa Is se muestra en la figura anterior.

Un diodo de unión pn con polarización inversa actúa como un interruptor abierto y bloquea el flujo de corriente del ánodo al cátodo.

Puntos para recordar

Un diodo de unión pn con polarización directa actúa como un interruptor cerrado siempre que el voltaje de polarización directa sea mayor que su potencial de barrera.
El ancho de la región de agotamiento disminuye con el aumento de la polarización directa.
Un diodo con polarización inversa no conduce y, por lo tanto, actúa como un interruptor abierto.
El ancho de la región de agotamiento aumenta con el aumento del voltaje de polarización inversa.
Una pequeña corriente inversa fluye del lado n al lado p en un diodo de unión pn con polarización inversa o simplemente un diodo. Esta corriente se llama corriente de saturación inversa.
El valor de la corriente de saturación inversa es independiente del voltaje de polarización inversa. Su valor depende de la temperatura de unión. Cuanto mayor sea la temperatura de la unión, mayor será el valor de la corriente de saturación inversa.