union "p. n" (cristal N y crisrtal P)

Se denomina unión PN a la estructura fundamental de los componentes electrónicos comúnmente denominados semiconductores, raprincipalmente diodos y tnsistores. Está formada por la unión metalúrgica de dos cristales, generalmente de silicio (Si), aunque también se fabrican de germanio (Ge), de naturalezas P y N según su composición a nivel atómico. Estos tipos de cristal se obtienen al dopar cristales de metal puro intencionadamente con impurezas, normalmente con algún otro metal o compuesto químico. Es la base del funcionamiento de la energía solar fotovoltaica.

Unión PN no polarizada

Para 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.

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 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