Comprensión de la teoría y el funcionamiento de los diodos de unión PN

Un diodo de unión PN se forma dopando un lado de una pieza de silicio con un dopante de tipo P (Boran) y el otro lado con un dopante de tipo N (fósforo). Se puede utilizar Ge en lugar de silicio. El diodo de unión PN es un dispositivo de dos terminales. Esta es la construcción básica del diodo de unión PN. Es uno de los dispositivos semiconductores más simples porque permite que la corriente fluya en una sola dirección. El diodo no se comporta linealmente con respecto al voltaje aplicado y tiene una relación VI exponencial.


¿Qué es un diodo de unión PN?

Un diodo de unión PN es una pieza de silicio que tiene dos terminales. Uno de los terminales está dopado con un material tipo P y el otro con un material tipo N. La unión PN es el elemento básico de los diodos semiconductores. Un diodo semiconductor facilita el flujo de electrones completamente en una dirección, que es la función principal del diodo semiconductor. También se puede utilizar como rectificador.

Unión PN

Teoría del diodo de unión PN

Hay dos regiones de operación: tipo P y tipo N. Y dependiendo del voltaje aplicado, hay tres posibles condiciones de «polarización» para el diodo de unión PN, que son las siguientes:

Sesgo cero – No se aplica voltaje externo al diodo de unión PN.
Sesgo directo– El potencial de voltaje está conectado positivamente a la terminal tipo P y negativamente a la terminal tipo N del diodo.
Polarización inversa– El potencial de tensión se conecta negativamente al terminal tipo P y positivamente al terminal tipo N del diodo.

Condición de polarización cero

En este caso, no se aplica voltaje externo al diodo de unión PN; y por lo tanto, los electrones se difunden hacia el lado P y simultáneamente los huecos se difunden hacia el lado N a través de la unión y luego se combinan entre sí. Debido a esto, estos portadores de carga generan un campo eléctrico. El campo eléctrico se opone a la difusión adicional de los portadores cargados, de modo que no hay movimiento en la región central. Esta región se conoce como ancho de agotamiento o carga espacial.

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Estado imparcial
Estado imparcial

Sesgo directo

En la condición de polarización directa, el terminal negativo de la batería está conectado al material de tipo N y el terminal positivo de la batería está conectado al material de tipo P. Esta conexión también se denomina que proporciona un voltaje positivo. Los electrones de la región N cruzan la unión y entran en la región P. Debido a la fuerza de atracción generada en la región P, los electrones son atraídos y se mueven hacia el terminal positivo. Simultáneamente, los orificios se dibujan en el terminal negativo de la batería. A través del movimiento de electrones y huecos, fluye la corriente. En esta condición, el ancho de la región de empobrecimiento disminuye debido a la reducción en el número de iones positivos y negativos.

Condición de polarización directa
Condición de polarización directa

Características VI

Al suministrar un voltaje positivo, los electrones obtienen suficiente energía para superar la barrera de potencial (capa de agotamiento) y cruzar la unión y lo mismo sucede con los huecos. La cantidad de energía requerida por los electrones y los huecos para cruzar la unión es igual al potencial de barrera de 0,3 V para Ge y 0,7 V para Si, 1,2 V para GaAs. Esto también se conoce como caída de tensión. La caída de voltaje a través del diodo ocurre debido a la resistencia interna. Esto se puede observar en el siguiente gráfico.

Direct Bias VI Características
Direct Bias VI Características

Polarización inversa

En la condición de polarización directa, el terminal negativo de la batería está conectado al material tipo N y el terminal positivo de la batería está conectado al material tipo P. Esta conexión también se conoce como voltaje positivo. Por lo tanto, el campo eléctrico debido tanto al voltaje como a la capa de agotamiento tiene la misma dirección. Esto hace que el campo eléctrico sea más fuerte que antes. Debido a este fuerte campo eléctrico, los electrones y los huecos necesitan más energía para cruzar la unión para que no puedan difundirse a la región opuesta. Por lo tanto, no hay flujo de corriente debido a la falta de movimiento de electrones y huecos.

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Capa de agotamiento en condición de polarización inversa
Capa de agotamiento en condición de polarización inversa

Los electrones del semiconductor tipo N son atraídos por la terminal positiva y los huecos del semiconductor tipo P son atraídos por la terminal negativa. Esto conduce a la reducción del número de electrones en el tipo N y de huecos en el tipo P. Además, se crean iones positivos en la región de tipo N y iones negativos en la región de tipo P.

Diagrama de circuito para polarización inversa
Diagrama de circuito para polarización inversa

Por lo tanto, el ancho de la capa de agotamiento aumenta debido al número creciente de iones positivos y negativos.

Características VI

Debido a la energía térmica del cristal, se producen portadores minoritarios. Portadores minoritarios significa un hueco en un material de tipo N y electrones en un material de tipo P. Estos portadores minoritarios son los electrones y los huecos empujados hacia la unión PN por el terminal negativo y el terminal positivo, respectivamente. Debido al movimiento de los portadores minoritarios, fluye muy poca corriente, que está en el rango de los nanoamperios (para el silicio). Esta corriente se llama corriente de saturación inversa. La saturación significa que después de alcanzar su valor máximo, se alcanza un estado estable en el que el valor actual permanece igual al aumentar el voltaje.

La magnitud de la corriente inversa es del orden de nanoamperios para dispositivos de silicio. Cuando el voltaje inverso aumenta más allá del límite, la corriente inversa aumenta dramáticamente. Este voltaje particular que hace que la corriente inversa cambie drásticamente se llama voltaje de ruptura inversa. La ruptura de diodos ocurre por dos mecanismos: ruptura de avalancha y ruptura de Zener.

yo = ES[exp ( qV/kT )-1]
K – Constante de Boltzmann
T – Temperatura de unión (K)
(kT/q) Temperatura ambiente = 0,026 V

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Por lo general, IS es una corriente muy pequeña alrededor de 10-17 …… 10-13A

Por lo tanto, se puede escribir como

I=EST[exp(V/0.026)-1]

Gráfico de características VI para polarización inversa
Gráfico de características VI para polarización inversa

Aplicaciones del diodo de unión PN

El diodo de unión PN tiene muchas aplicaciones.

  • El diodo de unión PN en la configuración de polarización inversa es sensible a la luz en un rango entre 400 nm y 1000 nm, que incluye luz VISIBLE. Por lo tanto, se puede utilizar como fotodiodo.
  • También se puede utilizar como una célula solar.
  • La condición de polarización directa de la unión PN se utiliza en todas las aplicaciones de iluminación LED.
  • El voltaje a través de la unión PN polarizada se usa para crear sensores de temperatura y voltajes de referencia.
  • Se utiliza en muchos circuitos rectificadores, varactores para osciladores controlados por voltaje.

VI Características del diodo de unión PN

VI Características del diodo de unión PN
VI Características del diodo de unión PN

El gráfico se modificará para diferentes materiales semiconductores utilizados en la construcción de un diodo de unión PN. El siguiente diagrama ilustra los cambios.

Comparación con silicio, germanio y arsinuro de galio
Comparación con silicio, germanio y arseniuro de galio

se trata de la Teoría del diodo de unión PN, principio de funcionamiento y sus aplicaciones. Creemos que la información dada en este artículo es útil para comprender mejor este concepto. Además, para cualquier consulta relacionada con este artículo o cualquier ayuda para implementar proyectos eléctricos y electrónicos, puede comunicarse con nosotros comentando en la sección de comentarios a continuación. Aquí hay una pregunta para usted: ¿Cuál es la aplicación principal del diodo de unión PN?

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