Comprensión de la teoría y funcionamiento del diodo de unión P-N

Comprensión de la teoría y funcionamiento del diodo de unión P-N

A Diodo de unión P-N 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 usar Ge en lugar de Silicio. El diodo de unión P-N es un dispositivo de dos terminales. Esta es la construcción básica del diodo de unión P-N. Es uno de los dispositivos semiconductores más simples ya que permite que la corriente fluya en una sola dirección. El diodo no se comporta linealmente con respecto al voltaje aplicado, y tiene una relación V-I exponencial.

¿Qué es un diodo de unión P-N?

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


Unión PN

Unión PN



Teoría del diodo de unión PN

Hay dos regiones operativas: tipo P y tipo N. Y en función del voltaje aplicado, existen tres posibles condiciones de 'polarización' para el diodo de unión P-N, que son las siguientes:

Sesgo cero - No se aplica voltaje externo al diodo de unión PN.
Sesgo hacia adelante - El potencial de voltaje está conectado positivamente al terminal tipo P y negativamente al terminal tipo N del diodo.
Polarización inversa - El potencial de voltaje está conectado negativamente al terminal tipo P y positivamente al terminal tipo N del diodo.

Condición de sesgo cero

En este caso, no se aplica voltaje externo al diodo de unión P-N y, por lo tanto, los electrones se difunden hacia el lado P y simultáneamente los agujeros 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 una mayor difusión de los portadores cargados para que no haya movimiento en la región media. Esta región se conoce como ancho de agotamiento o carga espacial.

Condición imparcial

Condición imparcial

Sesgo hacia adelante

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 P-Type. Esta conexión también se denomina como que da voltaje positivo. Los electrones de la región N cruzan la unión y entran en la región P. Debido a la fuerza de atracción que se genera en la región P, los electrones son atraídos y se mueven hacia el terminal positivo. Simultáneamente, los agujeros son atraídos por el terminal negativo de la batería. Por el movimiento de electrones y huecos, la corriente fluye. En esta condición, el ancho de la región de agotamiento disminuye debido a la reducción del número de iones positivos y negativos.


Condición de sesgo hacia adelante

Condición de sesgo hacia adelante

Características V-I

Al suministrar 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 agujeros también. 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 voltaje. La caída de voltaje a través del diodo ocurre debido a la resistencia interna. Esto se puede observar en el siguiente gráfico.

Características V-I de sesgo directo

Características V-I de polarización directa

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 dar voltaje positivo. Por lo tanto, el campo eléctrico debido tanto al voltaje como a la capa de agotamiento está en 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 tanto, no hay flujo de corriente debido a la falta de movimiento de electrones y huecos.

Capa de agotamiento en condición de polarización inversa

Capa de agotamiento en condición de polarización inversa

Los electrones del semiconductor tipo N se atraen hacia el terminal positivo y los orificios del semiconductor tipo P se atraen al terminal negativo. Esto conduce a la reducción del número de electrones en el tipo N y huecos en el tipo P. Además, se crean iones positivos en la región de tipo N y se crean 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 V-I

Debido a la energía térmica en los cristales se producen portadores minoritarios. Los portadores minoritarios significan un agujero en el material de tipo N y electrones en el material de tipo P. Estos portadores minoritarios son los electrones y los agujeros empujados hacia la unión P-N por el terminal negativo y el terminal positivo, respectivamente. Debido al movimiento de portadores minoritarios, fluye muy poca corriente, que está en el rango de nanoamperios (para silicio). Esta corriente se denomina corriente de saturación inversa. Saturación significa que, después de alcanzar su valor máximo, se alcanza un estado estable en el que el valor actual permanece igual al aumentar la tensión.

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

I = ES [exp (qV / kT) -1]
K - Constante de Boltzmann
T - Temperatura de unión (K)
(kT / q) Temperatura ambiente = 0.026V

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

Por lo tanto, se puede escribir como

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

Gráfico de características V-I para sesgo inverso

Gráfico de características V-I para sesgo inverso

Aplicaciones del diodo de unión PN

El diodo de unión P-N tiene muchas aplicaciones.

  • El diodo de unión P-N 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 tanto, puede utilizarse como fotodiodo.
  • También se puede utilizar como célula solar.
  • La condición de polarización directa de la unión P-N se utiliza en todos los Aplicaciones de iluminación LED .
  • El voltaje a través de la unión P-N polarizada se usa para crear Sensores de temperatura y voltajes de referencia.
  • Se utiliza en muchos circuitos ' rectificadores , varactores para osciladores controlados por voltaje .

Características V-I del diodo de unión P-N

Características V-I del diodo de unión P-N

Características V-I del diodo de unión P-N

El gráfico se cambiará para diferentes materiales semiconductores utilizado en la construcción de un diodo de unión P-N. El siguiente diagrama muestra los cambios.

Comparación con arsinida de silicio, germanio y galio

Comparación con arseniuro de silicio, germanio y galio

Todo esto se trata de Teoría del diodo de unión P-N , principio de funcionamiento y sus aplicaciones. Creemos que la información proporcionada 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 acercarse a nosotros comentando en la sección de comentarios a continuación. Aquí hay una pregunta para usted: ¿Cuál es la aplicación principal del diodo de unión P-N?

Créditos fotográficos: