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APUNTES DE FÍSICA FUNDAMENTAL
FÍSICA ELECTRÓNICA

UNIÓN P-N EN EQUILIBRIO

 
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:

Ecuación física

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 Vbi - 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.
Monografía:Unión PN en equilibrio

siguiente Densidades de portadores
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tema escrito por: José Antonio Hervás