En el mundo de la electrónica, los diodos de unión PN son componentes fundamentales que permiten controlar el flujo de corriente eléctrica de manera unidireccional. En este artículo, exploraremos en profundidad qué son los diodos de unión PN, cómo funcionan y cuáles son sus aplicaciones más comunes en diversos circuitos electrónicos. ¡Acompáñanos en este fascinante viaje al corazón de la tecnología de los semiconductores!
Una pieza de semiconductor tipo n o tipo p es como una resistencia que no es tan útil. Pero cuando un fabricante dopa un único cristal de silicio con material tipo p en un lado y material tipo n en el otro, se crea algo nuevo… la unión PN.
Las uniones PN son elementales. bloques de construcción de componentes semiconductores como diodos, transistores, células solares, LED y circuitos integrados. Si entiendes esto, podrás entender todos estos dispositivos.
La intersección PN
Como sabemos que los semiconductores tipo p tienen átomos trivalentes y cada uno de ellos crea un agujero, podemos imaginarlo como se muestra en la figura. Cada signo menos encerrado en un círculo es el átomo trivalente y cada signo más es el hueco en su órbita de valencia.
También sabemos que los semiconductores tipo n tienen átomos pentavalentes y cada uno de ellos produce un electrón libre. Podemos imaginarlo como se muestra en la figura. Cada signo más encerrado en un círculo es el átomo pentavalente y cada signo menos es el electrón libre que aporta.
Un fabricante puede producir un único cristal de silicio con material tipo p en un lado y material tipo n en el otro lado, como se muestra en la figura. El límite entre el tipo p y el tipo n se llama Unión PN.
Un cristal PN se conoce comúnmente como diodo de unión. La palabra diodo se compone de dos electrodos, donde di significa dos.
Hay tres posibles sesgado Condiciones de unión PN:
- Equilibrio o polarización cero: no se aplica ningún voltaje externo a la unión PN.
- Polarización inversa: el terminal de fuente positiva está conectado al tipo n y el terminal de fuente negativa está conectado al tipo p.
- Polarización directa: el terminal de fuente negativa está conectado al tipo n y el terminal de fuente positiva está conectado al tipo p.
Veámoslos uno por uno.
Equilibrio (sesgo cero)
En una unión PN, se logra un estado de equilibrio sin aplicar ningún voltaje externo. Veamos cómo.
La región del agotamiento
Un semiconductor tipo N tiene una mayor cantidad de electrones libres que un semiconductor tipo P. Debido a esta alta concentración de electrones en el lado N, se repelen entre sí.
Debido a la repulsión, los electrones libres se propagan (difunden) en todas direcciones. Algunos de ellos cruzan la intersección. Cuando un electrón libre entra en la región p, es atraído por el hueco positivo y se recombina con él. Cuando esto sucede, el hueco desaparece y el electrón libre se convierte en electrón de valencia.
Cuando el electrón libre cae en un agujero del lado P, el átomo del lado P gana un electrón adicional. El átomo que gana un electrón adicional tiene más electrones que protones, lo que lo convierte en un ion negativo.
Asimismo, cada electrón libre que sale del átomo del lado N crea un agujero en el átomo del lado N. El átomo que pierde un electrón tiene más protones que electrones, lo que lo convierte en un ion positivo.
Cada vez que un electrón cruza la unión y se recombina con un hueco, se crea un par de iones. La siguiente figura muestra estos iones a cada lado de la conexión.
Cada par de iones positivos y negativos en la unión se llama dipolo. La creación de un dipolo significa que un electrón libre del lado n y un hueco del lado p quedan fuera de circulación. A medida que aumenta el número de dipolos, los portadores de carga mayoritarios ya no existen en la región cercana a la unión. Por eso llamamos a esta región gratuita La región del agotamiento.
Potencial de barrera
Cada dipolo tiene un campo eléctrico entre iones positivos y negativos. Siempre que un electrón libre intenta entrar en la región de agotamiento, este campo eléctrico lo empuja de regreso a la región n.
La fuerza del campo eléctrico aumenta con cada recombinación de huecos de electrones dentro de la región de agotamiento. Por lo tanto, el campo eléctrico finalmente detiene la difusión de electrones a través de la unión y se produce el equilibrio.
El campo eléctrico entre los iones corresponde a una diferencia de potencial, que se llama Potencial de barrera. A temperatura ambiente, el potencial de barrera es de aproximadamente 0,3 V para diodos de germanio y 0,7 V para diodos de silicio.
Tendencia hacia adelante
Para voltaje directo, el tipo p está conectado a la fuente positiva y el tipo n está conectado a la fuente negativa. La siguiente figura muestra un diodo directo.
Con una batería conectada de esta manera, los huecos en el rango p y los electrones libres en el rango n son empujados hacia la unión. Cuando el voltaje de la batería está por debajo del potencial de barrera (0,7 V), los electrones libres no tienen suficiente energía para atravesar la capa de barrera. Cuando atraviesan la capa barrera, los iones los empujan de regreso a la región n. Debido a esto, no fluye corriente a través del diodo.
Cuando el voltaje de la batería es mayor que el potencial de barrera (0,7 V), los electrones libres tienen suficiente energía para atravesar la capa de barrera y recombinarse con los huecos. De esta forma, comienzan a neutralizar la región de agotamiento y reducir su anchura.
Cuando un electrón libre se recombina con un hueco, se convierte en un electrón de valencia. Como electrón de valencia, viaja más hacia la izquierda, de un agujero al siguiente, hasta llegar al extremo izquierdo del diodo. Cuando sale del extremo izquierdo del diodo, aparece un nuevo agujero y el proceso comienza de nuevo. Debido a que miles de millones de electrones se mueven al mismo tiempo, una corriente continua fluye a través del diodo.
Polarización inversa
Conectar el tipo p al terminal negativo de la batería y el tipo n al terminal positivo corresponde a la polarización inversa. La siguiente figura muestra un diodo de bloqueo.
El terminal negativo de la batería atrae los agujeros y el terminal positivo de la batería atrae los electrones libres. Esto hace que los huecos y los electrones libres se alejen de la unión, dejando atrás iones positivos y negativos. Por lo tanto, la región de agotamiento se vuelve más amplia.
El ancho de la región de agotamiento es proporcional al voltaje inverso. A medida que aumenta el voltaje inverso, la región de agotamiento se vuelve más amplia. La región de agotamiento deja de crecer cuando su diferencia de potencial es igual al voltaje inverso aplicado. Cuando esto sucede, los electrones y los huecos dejan de alejarse de la unión.
corriente inversa
La corriente inversa en un diodo consta de una corriente portadora minoritaria y una corriente de fuga superficial. Esta corriente de retorno es tan pequeña que ni siquiera se nota y se considera casi nula.
Corriente de saturación inversa
Como sabemos, la energía térmica crea continuamente pares de electrones libres y huecos. Supongamos que la energía térmica ha creado un electrón libre y un agujero dentro de la región de agotamiento.
La región de agotamiento empuja al electrón libre recién creado hacia la región n y lo obliga a abandonar el extremo derecho del diodo. Cuando llega al extremo derecho del diodo, ingresa al cable exterior y fluye hacia el terminal positivo de la batería.
Por otro lado, el agujero recién creado se empuja hacia la región p. Este orificio adicional en el lado p permite que un electrón del terminal negativo de la batería ingrese al extremo izquierdo del diodo y caiga en un orificio.
Dado que la energía térmica crea continuamente pares electrón-hueco dentro de la región de agotamiento, fluye una pequeña corriente continua en el circuito externo. Esta corriente inversa causada por los portadores minoritarios generados térmicamente se llama corriente inversa. corriente de saturación. El nombre saturación significa que un aumento en el voltaje inverso no conduce a un aumento en el número de portadores de carga minoritarios generados térmicamente.
Corriente de fuga superficial
Existe una corriente diferente en un diodo con polarización inversa. Una pequeña corriente fluye sobre la superficie del cristal, la llamada Corriente de fuga superficial.
Los átomos en la parte superior e inferior del cristal no tienen vecinos. Sólo tienen seis electrones en la órbita de valencia. Esto significa que cada átomo de la superficie tiene dos agujeros. La siguiente imagen muestra estos agujeros a lo largo de la superficie del cristal.
Esto hace que los electrones viajen a través de los orificios de la superficie desde el terminal negativo de la batería hasta el terminal positivo de la batería. De este modo fluye una pequeña corriente de retorno a lo largo de la superficie.
Demoler
Existe un límite en la cantidad de voltaje inverso que puede soportar un diodo antes de destruirse. Si continúa aumentando el voltaje inverso, el diodo eventualmente alcanzará el voltaje de ruptura.
Una vez que se alcanza el voltaje de ruptura, se genera una gran cantidad de portadores de carga minoritarios en la región de agotamiento. efecto avalancha y el diodo comienza a conducir fuertemente en dirección inversa.
efecto avalancha
Como sabemos, hay una pequeña corriente portadora minoritaria en un diodo con polarización inversa. A medida que aumenta el voltaje inverso, obliga a los operadores minoritarios a moverse más rápido. Estos portadores minoritarios, que se mueven a altas velocidades, chocan con los átomos del cristal y liberan electrones de valencia, creando más electrones libres. Estos nuevos portadores minoritarios se combinan con los portadores minoritarios existentes y chocan con otros átomos, lo que libera más electrones.
Un electrón libre desplaza a un electrón de valencia, creando dos electrones libres. Estos dos electrones libres luego desplazan a dos electrones más, creando cuatro electrones libres. Esto aumenta el número de electrones. gradiente geométrico: 1, 2, 4, 8,. . .
Esta colisión constante con los átomos crea una gran cantidad de portadores minoritarios, que crean una corriente inversa significativa en el diodo. Y este proceso continúa hasta que la corriente inversa se vuelve lo suficientemente grande como para destruir el diodo.
Símbolo del diagrama de circuito de diodo
La siguiente figura muestra el símbolo esquemático de un diodo. El símbolo parece una flecha que apunta desde el lado p al lado n. El lado p se llama ánodo y el lado n se llama cátodo.
Características del diodo IV
La siguiente figura muestra un circuito de diodo básico donde el diodo está polarizado en directa. Una resistencia en serie RS Generalmente se utiliza para limitar la cantidad de corriente directa I.F.
Después de conectar este circuito, si mide y representa gráficamente el voltaje y la corriente del diodo de polarización directa e inversa, obtendrá un gráfico similar a este:
Esta acción se llama Características corriente-tensión (IV).. Esta es la característica más importante del diodo porque define cuánta corriente fluye a través del diodo a un voltaje determinado.
Una resistencia es un dispositivo lineal porque su curva I-V es una línea recta. Sin embargo, un diodo es diferente. Es un dispositivo no lineal porque su curva IV no es una línea recta. Esto se debe al potencial de barrera.
Dependiendo del voltaje aplicado, un diodo opera en una de tres regiones: polarización directa, polarización inversa y ruptura.
Área de dirección hacia adelante
Cuando el voltaje del diodo es menor que el potencial de barrera, una pequeña corriente fluye a través del diodo. Cuando el voltaje del diodo excede el potencial de barrera, la corriente que fluye a través del diodo aumenta rápidamente.
El voltaje al cual la corriente comienza a aumentar rápidamente se llama voltaje. tensión directa (VF) del diodo. También dice Tensión de conexión o tensión de rodilla. Normalmente, un diodo de silicio tiene un VF de alrededor de 0,7 V y un diodo de germanio de alrededor de 0,3 V.
Área de polarización inversa
El rango de polarización inversa está entre corriente cero y ruptura.
En esta zona fluye una pequeña corriente inversa a través del diodo. Esta contracorriente es causada por los portadores minoritarios generados térmicamente. Esta corriente de retorno es tan pequeña que ni siquiera se nota y se considera casi nula.
Región de desglose
Si aumenta aún más el voltaje inverso, eventualmente alcanzará el llamado voltaje de ruptura del diodo.
En este punto, se produce un proceso llamado ruptura por avalancha en la unión del semiconductor, donde el diodo comienza a conducir fuertemente en la dirección inversa, destruyendo el diodo.
En el gráfico se puede ver que la ruptura tiene una curva muy pronunciada seguida de un aumento casi vertical de la corriente.
Introducción al diodo de unión PN
Una pieza de semiconductor de tipo p o semiconductor de tipo n es como una resistencia, que no es tan útil. Pero cuando un fabricante dopa un solo cristal de silicio con material de tipo p en un lado y de tipo n en el otro lado, algo nuevo cobra vida: la unión PN.
La unión PN
Las uniones PN son bloques constructivos fundamentales de dispositivos de semiconductores como diodos, transistores, células solares, LEDs y circuitos integrados. Comprender esto te permite entender todos estos dispositivos.
¿Qué es un cristal de PN?
Un cristal de PN es comúnmente conocido como diodo de unión. Está formado por material de tipo p en un lado y material de tipo n en el otro lado, con una frontera entre ellos conocida como la unión PN.
¿Cuáles son las condiciones de polarización para la unión PN?
Existen tres posibles condiciones de polarización para la unión PN:
- Equilibrio o Polarización Cero: No se aplica voltaje externo a la unión PN.
- Polarización Inversa: El terminal de fuente positiva se conecta al tipo n, y el terminal de fuente negativa se conecta al tipo p.
- Polarización Directa: El terminal de fuente negativa se conecta al tipo n y el terminal de fuente positiva se conecta al tipo p.
Conclusión
En resumen, el diodo de unión PN es un componente crucial en la electrónica moderna, con aplicaciones que van desde dispositivos simples como diodos hasta tecnologías avanzadas como circuitos integrados. Comprender sus principios básicos es fundamental para cualquier persona interesada en el campo de la electrónica.