Semiconductores y la union P-N.







Semiconductores y la unión P-N
SEMINARIO DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS















Tabla de contenido
Tabla de contenido 2
Leyes de la emisión fotoeléctrica 3
Bandas de energia 4
Semiconductor tipo P 6
Semiconductor tipo N 7
Unión P-N 8
Polarización directa de la unión p-n. 8
Polarización inversa de la unión p-n. 9
La unión P-N iluminada 11



Leyes dela emisión fotoeléctrica

1.- Para un metal y una frecuencia de radiación incidente dado, la cantidad de fotoelectrones emitidos es directamente proporcional a la intensidad de luz incidente.
2.- Para cada metal dado, existe una cierta frecuencia mínima de radiación incidente debajo de la cual ningún fotoelectrón puede ser emitido. Esta frecuencia se llama frecuencia de corte, también conocidacomo "Frecuencia Umbral".
3.- Por encima de la frecuencia de corte, la energía cinética máxima del fotoelectrón emitido es independiente de la intensidad de la luz incidente, pero depende de la frecuencia de la luz incidente.
4.- El tiempo de retraso entre la incidencia de la radiación y la emisión del fotoelectrón es muy pequeña, menos que 10^9 segundos.

La física clásica no podía explicarlas leyes anteriores. En efecto, si iluminamos con una radiación electromagnética un electrón este irá absorbiendo energía continuamente hasta que tenga suficiente para vencer la energía de unión con los iones metálicos. La frecuencia no debería ser nada especial.  Debería observarse un retardo entre la iluminación y la emisión de electrones. Albert Einstein utilizó y aplicó la teoría de Plancksobre los cuantos o fotones de luz a este caso. Los electrones del metal interaccionan con los fotones de luz uno a uno. La energía de estos fotones de E=h.f, si esta energía de un fotón es suficiente el electrón salta inmediatamente del metal, si no es suficiente ya podemos esperar que nunca saltará.  


Para analizar el efecto fotoeléctrico cuantitativamente utilizando el método derivado porEinstein es necesario plantear las siguientes ecuaciones:
Energía de un fotón absorbido = Energía necesaria para liberar 1 electrón + energía cinética del electrón emitido:

Energia de un fotón absorbido.
Que puede también escribirse como
.
Energia de un fotón absorbido.
donde h es la constante de Planck, f0 es la frecuencia de corte o frecuencia mínima de los fotones para que tenga lugar elefecto fotoeléctrico, Φ es la función trabajo, o mínima energía necesaria para llevar un electrón del nivel de Fermi al exterior del material y Ek es la máxima energía cinética de los electrones que se observa experimentalmente.
Si la energía del fotón (hf) no es mayor que la función de trabajo (Φ), ningún electrón será emitido. Si los fotones de la radiación que inciden sobre el metal tienen unamenor energía que la de función de trabajo, los electrones del material no obtienen suficiente energía como para emitirse de la superficie metálica.

Bandas de energia

Supongamos una red cristalina formada por átomos. Según los postulados de la Mecánica Cuántica, los electrones de un átomo aislado pueden existir únicamente en determinados estados de energía. A medida que disminuye ladistancia interatómica comienza a observarse la interacción mutua entre los átomos hasta formarse un sistema electrónico único. Las fuerzas de repulsión y atracción entre los átomos encontrarán su equilibrio cuando los átomos estén separados por la distancia interatómica típica del cristal que se trate. La separación real entre átomos en el cristal será aquella para la cual la energía del sólido seamínima.

En un sólido el número de átomos es tan elevado que los niveles de energía forman bandas continuas de energía. Los electrones asociados a los átomos del sólido llenan estas bandas en orden ascendente. La banda de mayor energía completamente ocupada se denomina banda de valencia (electrones ligados a átomos).

La siguiente banda, parcialmente ocupada o vacía, se denominada banda de...