10.6 : Conceptos básicos de semiconductores

Una unión p-n se forma cuando se unen materiales semiconductores de tipo p y tipo n. En la interfaz de la unión p-n, los huecos del lado p y los electrones del lado n comienzan a difundirse hacia los lados opuestos debido al gradiente de concentración. Esta difusión de portadores conduce a una región alrededor de la unión donde no hay portadores de carga libres, conocida como región de agotamiento. La densidad de carga dentro de la región de agotamiento para el lado n y el lado p puede describirse mediante las ecuaciones:

Donde q es la carga elemental, N_D y N_A son las concentraciones de dopaje donante y aceptor, respectivamente.

Las cargas fijas en la región de agotamiento crean un campo eléctrico (E), que apunta desde el lado n al lado p, oponiéndose a una mayor difusión de los portadores. Este campo eléctrico da lugar a una diferencia de potencial a través de la unión, conocida como voltaje incorporado (V_0), que se puede calcular mediante:

Donde, V_T es el voltaje térmico y n_i es la concentración de portador intrínseco.

Hay dos tipos de corrientes que existen en una unión p-n: corriente de difusión debida a la difusión del portador y corriente de deriva debida al campo eléctrico. En el equilibrio, la magnitud de la corriente de difusión es igual a la magnitud de la corriente de deriva, lo que provoca que no haya flujo neto de corriente a través de la unión. En condiciones de circuito abierto, no hay corriente externa y el voltaje incorporado de la capa de agotamiento equilibra el potencial de contacto en las uniones metal-semiconductor, lo que resulta en un voltaje neto cero en los terminales.

El voltaje de barrera incorporado y el ancho de la región de agotamiento desempeñan papeles críticos en el comportamiento de la unión. El ancho de la región de agotamiento determina la capacitancia de la unión y afecta cómo responderá la unión a los voltajes externos.