Unión PN: formación y estructura

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En esta sección se introduce la unión PN, que es la base de los dispositivos fotovoltaicos. El silicio (Si) es el elemento más utilizado en la construcción de células solares fotovoltaicas.

Recuerde que agregar impurezas al silicio puro (u otros semiconductores) puede cambiar sus propiedades conductoras y formar materiales p y n según la impureza específica.

Si una parte de un pequeño bloque de silicio se dopa con una impureza de tipo n y la otra con una impureza de tipo p, el límite formado entre ellos se denomina unión PN. La unión PN es esencial para el funcionamiento de las células solares y muchos otros dispositivos semiconductores.

Átomo de silicio y estructura cristalina.

El silicio es uno de los elementos más abundantes del mundo y se encuentra en la arena y el cuarzo, así como en otras fuentes naturales. El silicio puede formar una estructura cristalina (llamada c-Si), o puede formar un tipo amorfo de silicio con una disposición aleatoria de átomos (llamada a-Si).

Ambos tipos son útiles en las células solares. En esta sección, nos centraremos en c-Si y su uso.

En c-Si hay una disposición ordenada de átomos de silicio unidos covalentemente. Según el modelo de Bohr, un átomo se compone de un núcleo de protones y neutrones rodeados de electrones orbitando a varias distancias del núcleo conocido conchas.

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El átomo de silicio neutro tiene 14 protones, 14 a 16 neutrones y 14 electrones. Los electrones en la capa exterior de un átomo se llaman electrones de valencia, como se muestra en el modelo atómico de silicio en la Figura 1(a). Esta capa exterior de un semiconductor se llama aislante. enlace de valencia e incluye electrones unidos al átomo. Los electrones de valencia participan en la unión con otros átomos.

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En un cristal de silicio, cada átomo de silicio comparte un electrón con sus cuatro átomos vecinos, formando un enlace covalente de cuatro vías, como se muestra en la Figura 1(b). Cada átomo en el cristal está unido a sus vecinos. La figura 1(c) muestra una estructura cristalina de silicio en la que varios átomos se mantienen unidos mediante enlaces covalentes.

dopaje de cristal de silicio

Como se mencionó, el silicio puro (intrínseco) es un mal conductor eléctrico. El proceso de dopaje se utiliza para aumentar la conductividad de manera precisa y controlada.

El proceso de dopaje agrega átomos de impurezas en concentraciones muy bajas al silicio para crear un exceso de electrones libres (un tipo de impureza). El lugar donde ocurre una deficiencia se llama agujero.

Una impureza pentavalente

A impureza pentavalente El átomo tiene cinco electrones de valencia, y cuando se agrega a un cristal de silicio, cuatro electrones forman enlaces covalentes con cuatro átomos de silicio cercanos. Un electrón permanece y se convierte en un electrón libre o no ligado, como se muestra en la Figura 2(a). ejemplos de átomos pentavalentes Son fósforo (P), arsénico (As), antimonio (Sb) y bismuto (Bi).

impureza trivalente

A impureza trivalente El átomo tiene tres electrones de valencia, y cuando se agrega a un cristal de silicio, tres de sus electrones forman enlaces covalentes con cuatro átomos de silicio cercanos. Se crean vacantes o huecos de electrones en uno de los enlaces, como se muestra en la Fig. 2(b). Ejemplos de átomos trivalentes son el boro (B), el indio (In) y el galio (Ga).

Formación de la unión PN

La figura 3(a) muestra la formación de la unión PN entre las regiones tipo n y tipo p de una pieza de silicio dopada con fósforo en la parte superior y boro en la parte inferior. Los electrones libres en la región n fluyen aleatoriamente en todas las direcciones.

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Figura 1: Estructura cristalina de forma de átomo de silicio y enlace covalente

dopaje de cristal de silicio a

dopaje cristales de silicio b

Figura 2: Dopaje de cristales de silicio

unión pn y región de agotamiento

unión pn y región de agotamiento b

Figura 3: Unión PN y región de agotamiento

En el momento de la formación de la unión PN, los electrones libres cerca de la unión en la región n comienzan a difundirse a través de la unión hacia la región p, donde se combinan con huecos cerca de la unión.

Antes de que se forme la unión PN, el material de tipo n contiene tantos electrones como protones, lo que hace que la carga del material sea neutra. Lo mismo es cierto para el material de tipo p.

Cuando se forma la unión PN, la región pierde n electrones libres a medida que se difunden a través de la unión. Esto crea una serie de cargas positivas (iones pentavalentes) cerca del lado superior de la unión. A medida que los electrones se mueven a través de la unión, la región p pierde huecos a medida que los electrones libres y los huecos se fusionan. Esta acción crea una serie de cargas negativas (iones trivalentes) cerca de la base de la unión. estas dos conjuntos de cargas positivas y negativas formar el region de agotamiento, como se muestra en la Figura 3(b). Los portadores de carga (electrones y huecos) se agotan en la región de agotamiento.

Formación de la región de agotamiento

La región de agotamiento es muy delgada en comparación con las regiones p y n. Su ancho está exagerado en la Figura 3(b) con fines ilustrativos.

Después del empuje inicial de electrones libres a través de la unión PN, la región de empobrecimiento se expande hasta un punto donde se establece el equilibrio y no hay más difusión de electrones a través de la unión. Este proceso Ocurre a medida que los electrones continúan difundiéndose a través de la unión, se crean más y más cargas positivas y negativas cerca de la unión y se forma la región de agotamiento. A punto alcanzado donde la carga negativa total en la región de agotamiento requiere más difusión de electrones en la región p y la difusión se detiene.

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el es region de agotamiento hay muchas cargas positivas y muchas cargas negativas al otro lado de la unión PN. La fuerza entre las cargas positivas y negativas crea un campo eléctrico, que se muestra con las flechas azules en la Figura 3(b). El campo eléctrico actúa como una barrera para los electrones libres en la región n, y se debe aplicar energía externa para mover estos electrones a través de la región de empobrecimiento.

En diodos y transistores, la energía externa proviene de una fuente de voltaje; en las celdas solares, la energía externa proviene de la luz solar.

Preguntas de revisión

  1. Describir el modelo de Bohr de un átomo.
  2. Cómo es el no región en silicio creado?
  3. Cómo es el pags región en silicio creado?
  4. ¿qué es eso? NP ¿unión?
  5. En ausencia de un voltaje aplicado, ¿qué impide que los electrones pasen por la región de empobrecimiento?

respuestas

  1. El modelo de Bohr es un modelo planetario del átomo, con electrones orbitando en órbitas aisladas alrededor de un núcleo central que contiene neutrones y protones.
  2. Dopando silicio puro con una sustancia pentavalente como fósforo o arsénico
  3. Dopando el silicio puro con una sustancia trivalente como el boro o el indio
  4. A NP la unión es el límite creado entre un no-tipo y un pagstipo de semiconductor.
  5. El campo eléctrico que se forma debido a la transferencia de carga a través de la frontera
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