La unión PN

La unión PN es una estructura formada por un cristal semiconductor intrínseco en el que una parte se ha dopado con impurezas donadoras dando lugar a un semiconductor extrínseco tipo N, y la otra parte se ha dopado con impurezas aceptoras dando lugar a una parte tipo P. Una unión de este tipo se puede construir, por ejemplo, difundiendo impurezas aceptoras sobre substrato tipo N para convertir ciertas zonas de interés en tipo P.

Los métodos para realizar esta difusión son muy diversos y se pueden consultar en cualquier manual de electrónica integrada como por ejemplo en (Delfiner, 2009). En circuito abierto, a una temperatura determinada, en la zona N existirá una cierta concentración de electrones procedentes de la ionización de las impurezas y, en menor proporción, de la generación térmica de pares electrón – hueco, asimismo existirá una pequeña concentración de huecos procedentes de la generación térmica exclusivamente. Se dice, por tanto, que en la zona N los electrones son los portadores mayoritarios y los huecos los minoritarios. En la zona P, por el contrario, serán mayoritarios los huecos y minoritarios los electrones.

Figura 2.9 Unión PN en equilibrio

Esta diferencia de concentración de los portadores de carga, provoca la difusión de electrones de la Zona N a la P y de huecos de la zona P a la N. Como consecuencia de esta difusión los electrones que pasan a la zona P se recombinan con los huecos existentes en ella produciendo iones negativos mientras que dejan iones positivos en la zona N cercana a la unión. Este proceso no alcanza la totalidad de ambas regiones debido a que, conforme los electrones se difunde de la zona N a la P, aparece un campo eléctrico debido a iones fijos de la red que se opone a la difusión y merced a la cual se alcanza el equilibrio, es decir, una vez que un número suficiente de electrones se ha desplazado de la zona N a la P los siguientes se verán repelidos por la carga negativa de los que llegaron con anterioridad y atraídos por los iones positivos de la zona N que quedaron vacantes.

Por lo tanto a ambos lados de la unión aparece una zona en la que sólo existen iones fijos de la red y no hay apenas portadores de carga libre, esta zona se denomina Zona de Carga Espacial o también Zona de Transición. La anchura de esta región es del orden de la longitud de

Zona Neutra P Zona de Transición Zona Neutra N

onda de la luz visible (0.5 micras). Como se ha dicho, en el interior de esta estrecha franja de carga espacial no existen portadores móviles. Una vez alcanzado el equilibrio, a ambos lados de la zona de transición se recupera la neutralidad eléctrica. En la figura 2.9 se muestra una unión PN en equilibrio identificando las distintas zonas.

Figura 2.10 (a) Polarización Directa de la unión PN. (b) Polarización Inversa.

Una unión PN se polariza aplicando una diferencia de potencial externa a sus terminales. Se dice que se ha sometido la unión a una polarización directa cuando se conecta el polo positivo de la batería al semiconductor P y el negativo al semiconductor N (figura 2.10a). En estas condiciones existe un campo eléctrico a lo largo de todo el dispositivo que favorece la difusión de portadores mayoritarios. Como consecuencia disminuye la zona de transición y se obtiene una corriente de portadores mayoritarios en ambos sentidos que crece rápidamente para incrementos pequeños de la tensión externa. La polarización es inversa si el lado P está a potencial negativo respecto al N (figura 2.10b). En este caso el campo externo se opone a la difusión de portadores mayoritarios que son alejados de la unión con lo que la anchura de la zona de transición aumenta. Incrementando la tensión externa desde cero, es suficiente un valor muy pequeño para que el campo resultante en el semiconductor anule completamente la difusión de portadores mayoritarios a través de la unión. Existe, no obstante, una pequeña corriente de portadores minoritarios (corriente inversa de saturación) mantenida por la producción de pares electrón - hueco en todo el cristal, que es prácticamente independiente de la tensión inversa. Los valores típicos de la corriente inversa están, a temperatura ambiente, en el orden de los microamperios.

Una vez explicadas las propiedades de la unión PN se está en condiciones de explicar su uso para construir detectores de radiación. El mecanismo básico es el siguiente: si se polariza inversamente la unión, se consigue una zona de carga espacial relativamente ancha en la que no existen portadores de carga libres, la incidencia de radiación en esta zona provoca que algunos electrones de la banda de valencia adquieran suficiente energía para pasar a la de conducción (por mecanismos de interacción radiación-materia que se detallan más adelante) originando pares electrón hueco en la zona de transición. Estos portadores son acelerados por el campo existente en la unión (dirigido de la zona N a la P) y captados rápidamente por los electrodos de polarización, así, la zona de transición actuaría de forma análoga al volumen sensible de una cámara de ionización.

En la figura 2.11 se muestra el proceso de formación de un par electrón – hueco en un detector como el descrito. Al llegar la carga generada a los electrodos de polarización se detecta un pulso de corriente en el amperímetro.