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¿Cómo funciona una unión PN?

Los primeros dispositivos electrónicos activos que estudiamos en la asignatura de 4º ESO son los diodos; los cuales permiten el paso de corriente en un sentido, impidiéndolo en el otro. Dichos dispositivos están formados por un cristal semiconductor dopado de tal manera que una zona sea tipo P (dopada con átomos con 3 electrones de valencia) y la otra de tipo N (dopados con átomos pentavalentes). Las dos zonas semiconductoras están en contacto a través de la llamada unión PN. Dicha unión PN es la base del funcionamiento de los diodos, transistores y tiristores, pero ¿como funciona una unión PN?


Os dejo aquí una animación del funcionamiento de un diodo de la página de Absorb Electronics, donde podéis ver qué pasa al poner en contacto las dos zonas semiconductoras (unión PN no polarizada), y al polarizar dicha unión (al conectar sus terminales a una fuente de tensión). 

Unión PN no polarizada

Unión PN de un diodoPara comprender el funcionamiento de la unión PN debemos recordar que tanto el material P como el material N, son neutros (tienen el mismo número de electrones que de protones). Al unir un semiconductor tipo N con uno tipo P se origina un flujo de electrones a través de la unión PN. Los electrones libres (del semiconductor N) se unen a los hueco (del cristal P) formándose un ión positivo en N y uno negativo en P. Esto origina una tensión de difusión que se opone al flujo de electrones a través de la unión. Esta tensión irá aumentando con el paso de más electrones de N hacia P, hasta llegar un punto que imposibilita el paso de más electrones. Al valor de la tensión en este momento se le llama barrera de potencial o tensión umbral, (aproximadamente 0,7 V para diodos de Silicio, y de 0,3 V para diodos de Ge). En la zona próxima a la unión PN aparece la llamada zona de deplexión, en la cual no existen portadores de carga libres libres.


Semiconductores: unión PN


Unión PN polarizada

Las uniones PN pueden conectarse de 2 maneras a la fuente de alimentación, es decir existen dos modos de polarizar la unión NP:
  • Polarización directa: conectando el borne positivo (cátodo) de la fuente a la zona P, y el borne negativo (ánodo) a la zona N. Al aplicar tensión directa, se reduce la barrera de potencial de la unión, ya que la tensión aplicada impulsa a los electrones de N y huecos de P hacia la unión (estrechando la zona de deplexión). Por tanto, los electrones tienden a cruzar la unión de N a P y los huecos en sentido opuesto. Si la tensión de la fuente es mayor que la tensión umbral, el diodo conducirá la electricidad a su través.
Polarización directa - Direct polarization

  • Polarización inversa: conectando el borne positivo (cátodo) de la fuente a la zona N y el borne negativo (ánodo) a la zona P. Debido a la polarización de la batería, los electrones y los huecos se encuentran atraídos hacia los extremos del diodo, alejados de la unión PN, de manera que se ensancha la zona de deplexión. Así los electrones y huecos encuentran mayor dificultad para pasar a través de la unión.  Por consiguiente, el diodo no permitirá el paso de la corriente a su través comportándose como un interruptor abierto. 

Curva característica de un diodo
(Fuente: Proyecto EATS)
A pesar de lo dicho, existe una pequeña corriente llamada corriente inversa de muy baja intensidad (en muchos casos despreciable) a través de la unión PN, y que es debida al desprendimiento de electrones de los enlaces por efecto de la temperatura. Al seguir aumentando la tensión llega un momento que se desprenden electrones de la red cristalina, que al chocar con otros electrones los libera provocando una avalancha de electrones (la intensidad aumenta rápidamente), desembocando en la ruptura de la estructura cristalina y el deterioro del diodo. A la tensión a que este fenómeno se produce se le llama tensión Zener o tensión de ruptura. La conducción por avalancha es aprovechada por un tipo especial de diodos (no vistos en el aula), los diodos Zener, que trabajan en inversa pero sin sobrepasar la máxima intensidad inversa admisible (el diodo no se deteriora) y que sirven como estabilizadores de tensión.


A continuación os dejo dos vídeos, de los canales de la Universidad Politécnica de Valencia y de fmgomezcampos, sobre la constitución de los semiconductores extrínsecos P y N, y el funcionamiento de la unión PN



Comentarios

  1. ¡Hola! Muchas gracias por la explicación tan didáctica. He estado estudiando sobre las uniones PN para entender más a fondo el funcionamiento de las celdas solares. Ya que al igual que los diodos, las celdas solares fotovoltaicas son uniones PN (usualmente). Sin embargo, he tenido dudas sobre el cambió en el potencial de Fermi al generar la polarización inversa. ¿No sé si, de favor, alguien me podría recomendar alguna página o libro para estudiar ese tema? Gracias :)

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  2. Buenas noches, al leer el contenido, creo darme cuenta que se hace referencia en la parte de polarización directa e inversa, al ánodo como negativo y al cátodo como positivo, cuando en realidad y si no me equivoco y de hacerlo me disculpo, la parte positiva seria el ánodo y la negativa el cátodo. Me permito hacer este comentario para no generar confusión en nuevos lectores.

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  3. En cuanto a la nomenclatura de los terminales todo depende de si se trata de un dispositivo generador de corriente o de un receptor. Si se trata de una generador de corriente como por ejemplo una pila o una batería el terminal negativo se denomina ánodo, mientras que el terminal positivo es al que se denomina cátodo. Así, en los dispositivos que producen energía eléctrica, ánodo hace referencia al terminal donde se produce la oxidación (negativo) y el cátodo al terminal donde se produce la reducción (positivo). En un dispositivo que consume energía (como un LED o una unión PN), la situación se invierte, denominándose cátodo al borne conectado a la zona N y ánodo a la zona P (hacia donde circulan los electrones, con carga negativa). Espero haber aclarado el tema.

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Free Online Graph Paper / Grid Paper PDFsPrint Free Graph Paper,Dinamic paper (illuminations),Printable Math Graph PaperActual Size Graph Paper (Tata &Tatao... Entre todos ellos, sin duda alguna el más completo sea el primero, Free Online Graph Paper / Grid Paper PDFsque os permite crear una amplísima variedad de diferentes papeles (milimetrado, isométrico, pautado, logarítmico....) y bajárselos en formato portable document file (pdf).