UNION P-N FUERA
DEL EQUILIBRIO - RÉGIMEN ESTACIONARIO
INTRODUCCIÓN
En este tema vamos a estudiar la unión P-N bajo la influencia
de una fuerza electromotriz, llamada tensión de polarización,
que para empezar será constante en el tiempo.
HIPÓTESIS DE TRABAJO
Vamos a realizar el análisis para una unión unidimensional
abrupta, por lo que consideraremos la unión descompuesta
en tres regiones: zona de transición y regiones neutras
P y N.
En los extremos de las regiones neutras existen sendos contactos
metálicos entre los cuales aplicamos la tensión
de polarización V, Un contacto metálico es, en esencia,
una unión metal-semiconductor con las siguientes características:
El potencial electrostático entre el metal y el semiconductor
es independiente de la intensidad y sentido de la corriente. A
un contacto de este tipo se le llama óhmico.
Desde el punto de vista de las densidades de portadores del semiconductor,
el contacto óhmico se comporta como una superficie con
elevada, velocidad de recombinación.
Haremos también varias hipótesis adicionales:
PRIMERA HIPÓTESIS
Aproximación de vaciamiento para la zona de transición
(despreciaremos en dicha zona la carga de los portadores libres
frente a la carga de las impurezas ionizadas).
SEGUNDA HIPÓTESIS
La resistividad de las regiones neutras es lo suficientemente
-pequeña para que el paso de corriente no provoque caídas
de tensión.
Esta 2ª hipótesis junto a la propiedad, (a) nos dice
que la tensión de polarización, V, queda aplicada
íntegramente a la zona de transición.
Si la tensión de polarización, V, hace el contacto
en la región P positivo respecto al contacto en la región
N, diremos que la unión está polarizada en directo.
En caso contrario tendremos una polarización inversa. En
el primer caso, V reduce la altura de la barrera de potencial
disminuyendo el campo eléctrico y la carga en la zona de
transición, en el segundo ocurre lo contrario.
En este caso la anchura de la zona de transición se encuentra
que viene dada por:
En el caso de la polarización directa se produce un fenómeno
llamado inyección de portadores minoritarios, ocasionado
al disminuir la altura de la barrera de potencial. Estas consideraciones
nos llevan a la,
TERCERA HIPÓTESIS
El estudio estará limitado a una unión en condiciones
de baja inyección, por lo tanto, podemos decir que en este
caso el campo eléctrico en las regiones neutras es prácticamente
nulo.
Bajo esta hipótesis, las variaciones relativas de las concentraciones
de los portadores mayoritarios son muy pequeñas, por lo
que podemos suponer, aproximadamente, que en las regiones neutras
tienen en mismo valor que en el equilibrio. En una polarización
directa se produce corriente de difusión de minoritarios
como consecuencia del aumento de la concentración de portadores
minoritarios en el límite de la zona de transición.
Estas concentraciones de minoritarios inyectadas y sus respectivas
corrientes de difusión van disminuyendo a medida que nos
alejamos do la zona de transición debído a que el
exceso de portadores minoritarios inyectados desaparece por recombinación
con los portadores mayoritarios.
Además de las corrientes de difusión de minoritarios
existen también corrientes de portadores mayoritarios.
En el caso de polarización inversa tiene lugar el misino
tipo de fenómenos pero en sentido contrario. Los portadores
minoritarios que componen estas corrientes se generan térmicamente
en las regiones adyacentes a la zona de transición donde
las concentraciones han disminuido.
Para calcular las corrientes mencionadas es necesario conocer
las concentraciones do portadores minoritarios en los bordes de
la zona de transición en función de la tensión
de polarización, y por ello enunciamos una
CUARTA HIPÓTESIS
Consideramos que las densidades de portadores móviles en
la zona de transición son aproximadamente iguales a los
valores que tendrían en condicio-nes de equilibrio pero
con una altura de la barrera de potencial de valor V
bi
- V.
Esto implica que los seudoniveles de Fermi deben permanecer constantes
en la zona de transición.
Por último, para simplificar los cálculos, enunciamos
la,
QUINTA HIPÓTESIS
No existe recombinación de portadores en la zona de transición
y, por lo tanto, las corrientes de electrones y huecos permanecen
constantes dentro de ella.
En el siguiente capítulo se deducen las ecuaciones que
nos expresan las densidades de minoritarios en las zonas de transición.