Conductores, aisladores y semiconductores

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1 Diplomatura Universitaria en Cienia y Tenología Fisia III Doente: Claudia González Clase 14: Introduión a la físia de los sólidos: Condutores, aisladores y semiondutores Semiondutores intrínseos y on impurezas Unión metal-metal: Potenial de ontato. Unión p-n: Diodo semiondutor Veremos ahora ómo lo aprendido sobre teoría de bandas nos sirve para entender las araterístias que haen que un sólido sea un ondutor, aislante o semiondutor. Luego nos onentraremos on mas detalle en las prinipales propiedades de los semiondutores. Condutores, aisladores y semiondutores Hemos diho en las lases anteriores que la ondutividad elétria se debe al movimiento de los eletrones más externos del sólido. Ahora veremos que estos eletrones, perteneientes a la banda de onduión, serán apaes de transportar la orriente elétria en la medida de que la banda de onduión esté parialmente llena. Vamos a ver porqué es esto. Veamos por ejemplo el aso del sodio(na), que ya vimos en la Clase 12. La onfiguraión eletrónia del sodio es 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 por lo que la banda orrespondiente al estado atómio 3s estará parialmente llena. El esquema de las bandas del Na sólido se muestra en la Figura 1 donde se indian sombreados los estados oupados. Figura 1 1

2 Bajo la aión de un ampo elétrio (que es lo que ourre uando se enhufa un able), los eletrones de la banda 3s pueden, sin violar el prinipio de exlusión, adquirir pequeñas antidades adiionales de energía y pasar a ualquiera de los muhos estados veinos dentro de la banda (omo vimos en la lase pasada que pasaba al absorber energías kt por olisión). En ontraste on la exitaión térmia desordenada, los eletrones exitados por un ampo elétrio externo ganan antidad de movimiento p r en la direión opuesta al ampo. Esto ondue a un movimiento oletivo a través del ristal, es deir, una orriente elétria. De esta forma vemos porqué los buenos ondutores de la eletriidad (metales) son aquellos sólidos on la última banda oupada a medio llenar. En la realidad, y omo ya vimos en la lase 12, hay superposiión de las bandas más altas en energía. Esto se muestra en la Figura 2 y la Figura 3 para el aso de Mg(Z=12) 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2. En la Figura 2 vemos que a la distania interiónia de equilibrio de 3,67 x m las bandas orrespondientes a los niveles atómios 3p (primera banda desoupada) y 3s (última oupada) se superponen. Figura 2 Figura 3 2

3 Vean que, si no existiese superposiión, el Mg no debería ser ondutor. A este tipo de sólidos se les llama semimetales, es deir, sustanias uyos átomos tienen apas ompletas pero que en estado sólido son ondutores debido a que una banda llena y una vaía están superpuestas. Supongamos ahora el aso de la Figura 4. Figura 4 Este es un típio aso de un sólido aislador. Como todos los estados de la banda de valenia están oupados, la energía del eletrón está ongelada, es deir, los eletrones no pueden ambiar su estado dentro de la banda sin violar el prinipio de exlusión. La únia posibilidad de exitar un eletrón es transferirlo a la banda de onduión vaía. Pero eso signifiaría una transferenia de energía de algunos eletronvolts. Este valor es muy grande y por lo tanto los ampos elétrios normalmente usados no pueden aelerar los eletrones y de esta forma no se produe la orriente elétria. Veamos ahora el aso del diamante (C ), siliio (Si) y germanio (Ge). Las bandas 2s y 2p para estos sólidos se muestran en la Figura 5. También se indian las orrespondiente distanias interiónias de equilibrio. Figura 5 Comenemos observando la Figura 5 a distanias interiónias r grandes. A medida que nos desplazamos en el gráfio haia la izquierda, es deir, a medida que los átomos se aeran, las bandas omienzan a superponerse. A menor distania interiónia, se desdoblan nuevamente en dos bandas, ada una 3

4 on posibilidad de aomodar 4 eletrones (el porqué de este desdoblamiento a distanias ortas no lo veremos en este urso pero ha podido ser demostrado on álulos muy detallados). A la distania de equilibrio del diamante 1,5x10-10 m (C ), la disontinuidad que separa la banda mas baja o de valenia de la vaía es de 5 ev y por lo tanto el diamante es buen aislador. Para el Si y Ge, la separaión de equilibrio es de 1,1 ev y 0,7 ev respetivamente (lo que es relativamente hio, vean la Figura 6). Esto hae que sea mas fáil exitar los eletrones más altos de la banda de valenia a la banda de onduión. Este proeso se vé en la Figura 7. Figura 6 Los poos eletrones de la banda superior (que llegaron a ella por exitaión térmia) son apaes de onduir la orriente elétria omo si estuvieran en un metal y los hueos en la banda inferior (que dejaron los eletrones al ser exitados) atúan de modo similar (omo si fueran eletrones positivos). A mayor temperatura, más eletrones son apaes de saltar a la banda siguiente. Por lo tanto, los semiondutores son aisladores on disontinuidad de energía entre la banda de valenia y de onduión de aproximadamente 1 ev o menor. Debido a esto, es fáil exitar térmiamente a los eletrones de una banda a la otra. Por ejemplo en Si el número de eletrones exitados aumenta en 10 6 uando se pasa de 250K a 450K. Figura 7 Este tipo de ondutividad en semiondutores, debida a la oupaión de la banda de onduión por exitaión térmia, se llama ondutividad intrínsea. Se la puede mejorar on impurezas. Por ejemplo, si a Si o Ge añadimos P o As (que tienen 5 eletrones de valenia por átomo en vez de 4) ourrirá que los eletrones adiionales, que no pueden aomodarse en la banda de valenia, oupan algunos niveles disretos de energía inmediatamente debajo de la banda de onduión, on separaiones de unos deimos de ev. Estos estados adiionales surgen debido a la impureza y los eletrones que los oupan son fáilmente liberados de la impureza y exitados a la banda de onduión omo se muestra en la Figura 8(a ) y la Figura 9. De esta forma la existenia de la impureza favoree la onduión elétria. 4

5 Figura 8 Figura 9 Figura 10 5

6 Tales átomos de impurezas omo el fósforo o arsénio se denominan dadores. Un semiondutor que ontenga estos átomos omo impurezas se denomina semiondutor tipo n (o negativo). Ahora si la impureza es un átomo on menos eletrones que los del semiondutor (por ejemplo boro, aluminio o galio que tienen 3 eletrones de valenia por átomo) entones la impureza introdue niveles de energía vaantes, muy era del tope de la banda de valenia. Por lo tanto es fáil exitar eletrones a estos niveles omo se muestra en la Figura 8(b) y la Figura 10. Esto produe estados vaantes, o hueos ( a eletrones positivos), en la banda de valenia. Y debido a esto la impureza favoree la onduión de la orriente elétria. Los átomos que onstituyen este tipo de impurezas se denominan aeptores. Un semiondutor que ontenga estos átomos omo impurezas se denomina semiondutor tipo p (o positivo). En resumen, tenemos los siguientes tipos de sólidos: Aislador: ontiene un número sufiiente de eletrones para llenar ompletamente ierto número de bandas. Por enima de estas bandas existe una serie de bandas totalmente vaías; pero entre las bandas llenas y vaías existe una región de energía prohibida muy anha. Semiondutor: si la diferenia de energía entre la última banda llena y la primera vaía es pequeña, los eletrones pueden ser exitados térmiamente de la banda llena a la vaía. Todos los semiondutores pueden haerse aisladores ideales uando la temperatura tiende a 0 Kelvin. Condutor: si el número de eletrones no basta para llenar por ompleto la banda de energía más elevada, sino que la deja solo parialmente llena, muhos de los eletrones pueden omportarse omo eletrones libres. Los semiondutores tienen una enorme importania tenológia, se utilizan para fabriar todo tipo de dispositivos eletrónios inluyendo retifiadores, transistores, fotoeldas, reguladores de voltaje, amplifiadores y dispositivos de onmutaión. La apreiaión de las propiedades fundamentales del transporte eletrónio en estas sustanias tiene una apliaión direta en la omprensión y el análisis del funionamiento de todas las estruturas de dispositivos que atualmente tienen importania ténia. 6

7 La físia de las uniones p-n es la base para la omprensión del funionamiento de diodos y transistores. A ontinuaión veremos la prinipal araterístia de las uniones p-n: su apaidad para atuar omo retifiador. Unión metal-metal: potenial de ontato Antes de estudiar omo opera un dispositivo semiondutor es neesario estudiar lo que ourre uando dos metales diferentes se juntan. Esto nos dará dos oneptos importantes que usaremos mas adelante. Reordemos algunas osas de lo visto uando estudiamos el efeto fotoelétrio. Vimos entones que la energía inétia on que los eletrones salen del metal no era uniforme. Los eletrones salían on una distribuión ontinua de energías. La expliaión de esto es que los eletrones estaban unidos al metal on diferentes antidades de energía (por ejemplo, perdían energía por hoques al esapar del metal). La mínima energía de unión al metal la habíamos llamado funión trabajo φ del metal. Además, diferentes metales tenían diferentes valores de φ. Expliquemos ahora estos resultados en términos del modelo meanouántio de los eletrones en un sólido. Los eletrones que oupan los niveles más altos de energía en un sólido son los eletrones en la banda de onduión. Estos eletrones son los más débilmente unidos al metal y, omo vimos en la Clase 13, atúan de auerdo al modelo meanouántio de eletrones libres. Es deir, oupan todos los niveles de energía uasiontinuos disponibles desde el piso de la banda hasta el nivel de Fermi E F. Una modifiaión razonable del modelo uántio del eletrón libre sería reemplazar el pozo de potenial infinito por un pozo finito ya que para liberar un eletrón de un pozo infinito sería neesario una antidad de energía infinita. Esto no es ierto experimentalmente. Si tomamos omo ero de energía uando los eletrones están fuera del metal, el diagrama de energía para la banda de onduión puede representarse omo se muestra en la Figura 1. Figura 1 Así que ahora vemos que está laro que el signifiado de la funión trabajo es simplemente la diferenia de energía entre el nivel ero de energía (el eletrón fuera del metal) y el nivel de Fermi. Los eletrones on la energía E F son los que requieren menor energía para esapar del metal. Un eletrón on energía por debajo del nivel de Fermi requerirá más energía para esapar del metal. El exeso de energía del fotón absorbido (hν-φ) se transforma en energía inétia del eletrón saliente. De esta forma tendremos una distribuión de veloidades de los diferentes eletrones que esapan del metal. El heho que φ es diferente para los diferentes metales implia que la posiión del nivel de Fermi respeto al eletrón fuera del metal es diferente para los diferentes metales. Veamos ahora el aso de dos metales, 1 y 2, on funiones trabajo φ 1 y φ 2 respetivamente, tal que φ 1 < φ 2. Cuando los dos metales están separados sus bandas de onduión se ven omo en la Figura 2. 7

8 Figura 2 Ahora si los metales se juntan, los eletrones estarán libres para moverse de un metal al otro. Debido a que los eletrones era del nivel de Fermi del metal 1 tienen mayor energía que los del metal 2, habrá un flujo neto de eletrones desde el metal 1 al 2. Este flujo ontinuará hasta que el nivel más alto de energía oupado sea igual en ambos metales, esto es, hasta que ambos metales tenga un nivel de Fermi omún a ambos. La Figura 3(a ) muestra el ambio del nivel de Fermi en ambos metales desde el valor en el metal aislado a un valor omún a ambos. Figura 3 Es deir, ourre lo mismo que uando tenemos dos baldes llenados on agua hasta diferentes niveles e interonetados entre si. El agua va a fluir desde el balde que tiene el nivel más alto (por lo que la energía potenial del agua es mayor) al otro balde, hasta que el nivel de agua sea el mismo en ambos baldes. Como resultado del flujo de eletrones, el metal 2 gana eletrones y por lo tanto se arga negativamente mientras que el metal 1 se arga positivamente debido a la perdida de eletrones. El resultado neto es que se establee una diferenia de potenial a través de la unión. El metal 1, que está argado positivamente, estará a un potenial mayor que el metal 2. Esta diferenia de potenial se llama potenial de ontato V. La Figura 3(b) muestra esta diferenia de potenial. El onepto importante es que: Los niveles de Fermi de dos sólidos ondutores en ontato deben ser iguales. Si bien mostramos esto para dos metales, la misma onlusión sirve para dos semiondutores. Además, esta ondiión de equilibrio puede ser variada por la apliaión de un voltaje externo. Veremos que el ontrol de esta variaión es el fundamento del funionamiento de diodos y transistores. Diodo semiondutor El dispositivo semiondutor más simple es la juntura (o unión) p-n o diodo semiondutor que permite el flujo de orriente en una sola direión. Consiste de un semiondutor tipo p en ontato on un semiondutor de tipo n (Figura 4(a )). El símbolo eletrónio para el diodo se muestra en la Figura 4(b ). 8

9 Figura 4 Antes de que se haga el ontato on la región p, la región n tiene un gran número de eletrones libres (eletrones en la banda de onduión) provistos por las impurezas dadoras. La arga de estos eletrones libres en el semiondutor tipo n está neutralizada por la arga positiva de los iones dadores (por ejemplo, en la Figura 9 de la Clase 15 vimos que el eletrón extra aportado por la impureza As en Ge está ompensado elétriamente por la arga positiva extra del núleo de As), garantizándose así la eletroneutralidad. Igualmente, en el semiondutor tipo p, hay un gran número de hueos libres uya arga está neutralizada por los iones aeptores (por ejemplo, en la Figura 10 de la Clase 14 vemos que si bien el Ga tiene un eletrón menos que el Ge, también su núleo tiene un protón menos). Ahora, uando los dos tipos de semiondutores se ponen en ontato habrá un flujo neto de eletrones desde la región n a la región p. Por que ourre esto?. Por la misma ausa que, uando dos reipientes on gas se ponen en ontato, si la densidad de moléulas (es deir la presión) no es la misma en ambos reipientes, habrá un flujo neto de moléulas desde el reipiente on mayor densidad haia el reipiente on menor densidad. Este proeso ya lo onoen y se llama difusión. Ahora bien, uando los eletrones atraviesen la región de la unión por difusión, se enontrarán en una región donde hay muhos hueos on los uales reombinarse (es deir, un eletrón negativo es atraído haia un hueo positivo y sus argas se anelarán loalmente). Mientras ourre esto, los hueos en la región p difunden a través de la unión haia la región n; una vez en ella, se reombinan on los eletrones de la banda de onduión de esa región. El efeto neto de esta doble difusión y reombinaión es de vaiar de transportadores de arga mayoritarios (se les llama transportadores mayoritarios a los eletrones de la región n y a los hueos de la región p) a las regiones eranas a ambos lados de la unión. Es deir, al difundir los eletrones de la región n a la p, la región n se va quedando sin eletrones, y al difundir los hueos de p a n, la región p se va quedando sin hueos. Al mismo tiempo, los iones dadores del lado n (usando el ejemplo anterior serían los iones As) y los iones aeptores del lado p (que serían los iones Ga) quedan argados (del lado n, la arga positiva extra del As no está más neutralizada por su eletrón extra, ya que se fue haia p; y del lado p, la arga positiva de menos en el ión Ga no está neutralizada por el hueo positivo ya que se fue haia n). Esto rea entones apas o zonas argadas a ambos lados de la unión. Una apa positiva del lado n de la unión y una apa negativa del lado p. Estas zonas se llaman zonas de agotamiento. La situaión se muestra en la Figura 5. Debido a esto, la difusión de transportadores mayoritarios a través de la unión en ambas direiones esa rápidamente. La razón es que las apas argadas en la unión rean un ampo elétrio interno E (indiado on una fleha en la Figura 5) que impide la difusión. De esta forma, el equilibrio se reestablee y no se produe más flujo neto de orriente a través de la unión. Alaremos que, en la Figura 5, la indiaión de iones negativo del lado n se refiere a que un ión omo el Ga, por ejemplo, on arga postiva +3 es negativo o menos positivo que el ión Ge on arga +4. Vemos que, en la región erana a la unión, los iones se quedaron sin sus respetivas argas ompensatoria. 9

10 Zonas de agotamiento Figura 5 La imagen de ómo se establee el equilibrio es una imagen dinámia. Sin embargo, la situaión puede analizarse desde un punto de vista energétio. Las apas argadas era de la unión rean una diferenia de potenial V entre ambos lados de la unión. El lado n, estando argado positivamente, estará a un potenial (voltaje) mayor que el lado p, que está argado negativamente. Es de esperar que el potenial varíe uniformemente en la región de las dos apas. Esto se muestra en la Figura 6(a ). Esta diferenia de potenial es análoga al potenial de ontato que aparee en la unión metal-metal. Figura 6 10

11 Sabemos que uando una arga q está en un punto del espaio on potenial V tendrá una energía potenial E p =qv. De este modo, uando un eletrón esté en la región n, su energía potenial será E = e, mientras que en la región p su energía será E p =0. Así que la energía potenial de un eletrón p V en la región n está aumentada en una antidad e V respeto a la que tendría en la región n. Esto se muestra en la Figura 6(b). Para los hueos, es al revés. En la región n, la energía potenial de los hueos es E = + e, mientras que en la región p es E p =0. Véanlo en la Figura 6( ). Estas barreras de energía p V potenial paran el flujo de los transportadores mayoritarios a través de la unión. Así vemos que una de las onseuenias del potenial de ontato es el orrimiento (aumento) de la energía de las bandas eletrónias en la región p respeto a la energía de las bandas en la región n en una antidad e V. Este orrimiento está asoiado on el requerimiento de que los niveles de Fermi sean iguales a ambos lados de la unión. El orrimiento de las bandas se muestra en la Figura 7. La Figura 7(a ) muestra las bandas de energía de los eletrones en semiondutores tipo n y p antes del ontato (vistas en la Clase 14 Figuras 9 y 10). La Figura 7(b ) muestra el orrimiento haia valores mayores de las bandas de energía de los eletrones del lado p respeto al lado n luego de formarse la unión. El orrimiento es debido al aumento de la energía potenial de los eletrones en la región p respeto a la región n. Así que esribimos: ev = E Fn E siendo E Fn y E Fp los niveles de Fermi antes de la unión, del lado n y del lado p respetivamente. En un semiondutor dopado (on impurezas) la posiión del nivel de Fermi depende de la onentraión de las impurezas y de la temperatura; el potenial de ontato V estará determinado por estos dos parámetros. Típiamente, para un diodo de Si, el valor de V varía en el rango entre 0.6 a 0.9 ev a temperatura ambiente. Fp Figura 7 11

12 Veamos ahora el equilibrio de orrientes a través de la unión p-n. Vimos que uando se forma la unión p-n se forma una barrera de energía potenial e V que detiene el flujo de transportadores mayoritarios (esto es, eletrones de la región n a la p y hueos de p a n). Este es un equilibrio dinámio. Existe un ontinuo flujo de eletrones y hueos a través de la unión; sin embargo el flujo neto es ero ya que es igual la antidad de flujo en una y otra direión. Estudiemos en detalle entones los diferentes flujos presentes en este equilibrio dinámio. En el equilibrio habrá ierta antidad de eletrones omo portadores mayoritarios en la región n que tienen sufiiente E para saltar la barrera de potenial y difundirse en p. Una vez en p, estos eletrones son portadores minoritarios (ya que en la región p los transportadores mayoritarios son los hueos) y pueden desapareer por su reombinaión on los hueos. De esta forma en el equilibrio se tiene una orriente de eletrones que van de n haia p donde se pierden por reombinaión. A este flujo se le llama flujo de reombinaión = J nr. Ahora bien, dijimos antes que el flujo neto es ero. Según el prinipio del balane detallado, en equilibrio, ualquier proeso mirosópio de transporte y su inversa deben tener igual veloidad. La inversa de J nr es la generaión de pares hueo-eletrón por exitaión térmia en el lado p y la difusión subseuente de eletrones haia n en donde se onvierten en portadores mayoritarios. A este flujo de eletrones desde p haia n se le llama flujo de generaión = J ng. En el equilibrio J ng = -J nr. Lo mismo ourre para los hueos; existe un flujo de reombinaión J pr que se origina uando los hueos de p se desplazan sobre la barrera de potenial haia n donde se reombinan on eletrones. Esto va aompañado de un flujo de generaión= J pg que se rea por la generaión térmia de pares hueo-eletrón en n, seguida de la difusión de hueos a través de la unión. En el equilibrio J pr = -J pg. Consideremos ahora lo que ourre on la barrera de energía potenial en la unión p-n uando un potenial externo V 0 se aplia a través del diodo. Las dos posibles formas en que este potenial externo puede apliarse se muestran en la Figura 8. Figura 8 En el primer aso de la Figura 8(a ) se die que el diodo está foward biased (on polarizaión direta) y en el segundo aso se die que está reverse biased (on polarizaión inversa). En el aso de foward biased o polarizaión direta, estando onetada la terminal positiva de la batería al extremo tipo p de la unión pn, la batería externa disminuye el potenial del lado n de la unión relativo al lado p en una antidad V 0 (el potenial V 0 de la batería se resta al potenial de ontato V ). Debido a que iniialmente (antes de apliar el potenial externo V 0 ) el potenial del lado n era mayor que el orrespondiente al lado p en una antidad V (ver la Figura 6(a )), la diferenia de potenial entre el lado n y el lado p se redue ahora a V -V 0. Esto se muestra en la Figura 9(a ), donde la línea ontinua representa la nueva diferenia de potenial y la línea a trazos representa la diferenia de potenial antes de que V 0 se aplique. 12

13 Figura 9 Conjuntamente on la reduión de la diferenia de potenial entre ambos lados de la unión, hay una aída de la barrera de energía potenial que los transportadores mayoritarios deben atravesar al tratar de ruzar la E = e V, mientras que en la unión. En la región n, la energía potenial de los eletrones es ahora p ( V 0 ) región p es E = 0. La nueva barrera de energía ( V ) p e enontrada por los eletrones en su intento de ruzar desde el lado n al lado p se representa esquemátiamente en línea ontinua en la Figura 9(b ). La línea a trazos de la Figura 9(b ) representa la vieja barrera de energía región n, su energía potenial es E e ( V ) p V 0 V 0 e V. Lo mismo se aplia a los hueos. En la = mientras que en la región p es E p =0. La nueva (línea ontinua) y la vieja (línea a trazos) barrera de potenial que deben atravesar los hueos en su intento por ruzar la unión desde el lado p al n se muestra en la Figura 9 ( ). La aída de la barrera de energía aumentará muho el flujo de los transportadores mayoritarios que atraviesan la unión. Esto dá lugar a un gran aumento de la orriente a través del diodo. Consideremos ahora lo que ourre uando el diodo está reverse biased o polarizaión inversa (Figura 8 (b )). Estando onetada la terminal positiva de la batería al extremo tipo n de la unión pn, la batería externa aumenta el potenial del lado n de la unión relativo al lado p en una antidad V 0 (el potenial V 0 de la batería se suma al potenial de ontato V ). En este aso, la batería externa aumentará el potenial en el lado n respeto al lado p en una antidad V 0. Debido a que el potenial en el lado n ya era más alto que del lado p en una antidad V, la diferenia de potenial entre los dos lados de la unión ahora aumentará a V +V 0. Como resultado, la barrera de energía potenial, on que los transportadores mayoritarios se enontrarán, también aumentará desde V V +. La Figura 10 (a) muestra la nueva (línea ontinua) y la e (sin potenial) a ( ) e V 0 13

14 vieja (línea a trazos) diferenia de potenial entre los dos lados de la unión. Las orrespondientes barreras de energía potenial para eletrones y hueos se muestran en las Figuras 10(b) y (). Nuevamente las líneas sólidas representan las barreras de energía en la ondiión reversed biased y las líneas a trazos en la ondiión sin potenial externo. De este modo el aumento de la barrera de energía disminuirá muho el flujo de los transportadores mayoritarios que atraviesan la unión. Esto dá lugar a una gran disminuión de la orriente a través del diodo. Figura 10 En suma, vemos que la altura de la barrera de energía es ( V V 0 ) polarizaión direta ( foward biased ) y ( V ) V 0 e uando el diodo está en e + uando está en polarizaión inversa ( reverse biased ). Si adoptamos la onvenión de signos tal que V 0 es positivo en el aso de polarizaión direta y negativo en el aso de polarizaión inversa, podemos deir que: Cuando un voltaje externo V 0 se aplia a través de un diodo, la altura de la barrera de energía potenial en la unión p-n es ( V ) e. Veamos también omo se ve afetada la zona de agotamiento (Figura 5). Cuando el diodo está en polarizaión inversa, la zona de agotamiento se ensanha. Esto es razonable, porque, la terminal positiva de la batería, onetada al extremo tipo n de la unión, tiende a tirar a los eletrones haia fuera de la zona de agotamiento de regreso al material de tipo n y a repeler hueos de regreso al material tipo p. Debido a que la zona de agotamiento ontiene muy poos portadores de arga, es una región de alta resistividad. Por lo tanto, el aumento sustanial en su anhura signifia un aumento sustanial en la resistenia, onsistente on el muy bajo valor de la orriente en un diodo on polarizaión inversa. Por el ontrario, uando el diodo está en polarizaión direta, la zona de agotamiento se vuelve más angosta, siendo onsistente su baja resistenia on la gran orriente haia delante. V 0 14

15 Prestemos ahora atenión a lo que pasa on los flujos J nr,, J pr, J ng y J pg. En ondiión de polarizaión inversa, vimos que la barrera a través de la unión aumenta. Por lo tanto es difíil para los portadores mayoritarios venerla por difusión. Debido a esto J nr y J pr disminuyen. Sin embargo J ng y J pg dependen solo de la veloidad de generaión térmia de pares hueo-eletrón en las respetivas regiones y por lo tanto no se ven afetados por este ambio en la barrera (de heho, la diferenia de potenial para estos flujos no es una barrera sino una aída, reuerden que van en sentido ontrario a J nr y J pr ). De esta forma, al aumentar V 0 en polarizaión inversa, J nr y J pr tienden a ero y J ng y J pg no se ven afetados. De esta forma la orriente neta a través de la unión tiende a un valor onstante = e ( J pg J ng ) =orriente de saturaión (i 0 ). Esta orriente de saturaión estará limitada por el número de pares hueo-eletrón térmiamente generados que se rean en ambas regiones era de la unión. Esta antidad suele ser muy hia y depende del tipo de material del semiondutor y de la temperatura. El valor de i 0 es entones muy pequeño y a los fines prátios se lo suele tomar omo nulo. Ahora, uando se aplia un voltaje de polarizaión direta, la altura de la barrera de potenial se redue y es muy fáil para los eletrones mayoritarios de la región n y los hueos mayoritarios de la región p, difundir haia los lados opuestos respetivos en donde se onvierten en portadores minoritarios y finalmente se reombinan. Por lo tanto J nr y J pr aumentan mientras que J ng y J pg permaneen invariantes (por la misma razón que antes, es deir, porque dependen solamente del tipo de material y de la temperatura). Así que ahora tendremos un gran flujo de orriente ya que J nr y J pr (que ahora son grandes) no están mas ompensados por J ng y J pg (que siguen siendo hios omo siempre). En onlusión, vemos que la unión p-n presentará una impedania alta en la direión de polarizaión inversa y una impedania baja en la direión de polarizaión direta. Por lo tanto se omporta omo retifiador. El gráfio de i de orriente en funión del voltaje V 0,apliado sobre un diodo de unión p-n, se muestra en la figura 11. Figura 11 Analiemos un poo omo puede usarse lo aprendido en la eleión del material semiondutor a usar en un diodo bajo ondiiones de alta o baja temperatura. Los semiondutores que tienen bandas de energía prohibidas relativamente grandes son onvenientes para elaborar retifiadores de unión pn que deban manejar densidades elevadas de orriente y operar a altas temperaturas. En estas ondiiones de operaión, la generaión térmia de pares hueo-eletrón dentro del semiondutor on una banda de energía prohibida pequeña se hae exesiva y la orriente de saturaión aumenta. Debido a esto, la efiienia de retifiaión será pobre y habrá una exesiva generaión de alor en polarizaión inversa. Por lo tanto, los retifiadores de Si son superiores a las unidades de Ge para su apliaión en ondiiones de altas orrientes o altas temperaturas (la banda de energía prohibida del Si es mayor que la del Ge). Desafortunadamente, la baja orriente de saturaión de los semiondutores de bandas prohibidas grandes, a bajas temperaturas, produe una impedania muy alta en el estado de polarizaión direta y por lo tanto una gran aída de potenial para una orriente dada. Esto representa una gran pérdida de potenial dentro del dispositivo y una generaión de alor interno superior en ondiiones de orriente baja. Por esto, muhas vees se prefiere usar retifiadores de Ge uando se tiene omo requisito una baja aída de voltaje en sentido direto a orrientes bajas y uando no es importante un buen funionamiento en ondiiones de alta orriente y altas temperaturas. Por último, si el voltaje de polarizaión inversa apliado a un retifiador de unión p-n se inrementa uniformemente, se llegará a un punto en el que la orriente inversa aumentará de un modo repentino y abrupto. A este proeso se le llama ruptura y se muestra en la Figura 12. Si el retifiador funiona muho 15

16 más allá del punto de ruptura, se generará internamente una gran antidad de alor y puede fundirse o quemarse en un lapso muy orto. Figura 12 Guia para la disusión de la lase 14 Condutores, aisladores y semiondutores. Desripión de sus propiedades a partir de la teoría de bandas. Semimetales. Caso partiular del C, Si y Ge. Expliar sus propiedades a partir del gráfio de energía vs distania interiónia. Condutividad intrínsea. Impurezas dadoras y aeptoras. Semiondutor tipo n y tipo p. Expliar el origen del potenial de ontato que se forma al unir dos metales on niveles de Fermi diferentes. Qué ourre uando un semiondutor tipo p se pone en ontato on un semiondutor tipo n? Origen y efeto de las zonas de agotamiento. Corrimiento de las bandas de las bandas de la región n respeto a la región p al produirse la unión. Origen de los diferentes flujos presentes en el equilibrio dinámio de la unión: flujos de reombinaión y generaión. Efeto de la apliaión de un potenial externo en polarizaión direta e inversa sobre las barreras de potenial para eletrones y hueos a través de la unión. Efeto sobre el anho de la zona de agotamiento. Cómo varían los flujos de reombinaión y generaión según la polaridad del potenial externo apliado? Definiión y origen de la orriente de saturaión. Gráfio de i(orriente) vs V(voltaje apliado). Qué tipo de material onviene usar bajo qué tipo de ondiiones? 16