Semiconductores

TEMA 9
EL DÍODE DE JUNCIÓ
9.1 El díode ideal
Un díode ideal és un component de dos terminals que respon a la següent relació tensiócorrent amb dues zones de treball molt diferenciades:
ID

VD
ID
ànode

càtode

+ VD -

 Regió de polarització en directa: si apliquem un
corrent des de l’ànode cap al càtode (ID>0), el
díode permet el pas d’aquest corrent sense quedarse tensió (VD=0).Funciona doncs com un
curtcircuit pel que es diu que presenta una
resistència en directa de zero ohms.
 Regió de polarització en inversa: si apliquem
més potencial al càtode que l’ànode (VDn
ens trobem davant d’un semiconductor extrínsec de tipus p i en cas contrari tindrem un
semiconductor extrínsec de tipus n.
Els semiconductors extrínsecs de tipus p es creen amb el dopatge d’àtomstrivalent, és
a dir de només 3 electrons a la banda de valència, típicament el bor (B), gal.li (Ga) o
indi (In). Aquests àtoms s’anomenen impureses acceptadores doncs disposen d’un
forat addicional a la banda de valència per acceptar un electró lliure dins de l’estructura
cristal.lina.

Representació d’estructura cristal.lina amb un àtom trivalent al centre

No obstant continuarem tenintelectrons de la banda de valència que quedaran alliberats
i que passaran a la banda de conducció, donant lloc a forats a la banda de valència que
s’afegiran als ja existents pels àtoms trivalents. Així doncs tindrem una concentració
volumètrica d’electrons lliures, anomenada np, deguda només a l’efecte tèrmic o efecte
intrínsec, una concentració volumètrica de forats anomenada pp, deguda en part al’efecte tèrmic o efecte intrínsec i en part al dopatge o efecte extrínsec, i una
concentració volumètrica d’impureses acceptadores o àtoms trivalent, anomenada NA.
En aquest cas s’evidencia el següent balanç de càrregues,
NA + np = pp
on el subíndex p indica que parlem d’un semiconductor d’aquest tipus. Com que pp>np
es diu que els forats són els portadors majoritaris i els electronslliures són els
portadors minoritaris.
Cal entendre però que aquest material continua neutre, és a dir que globalment presenta
la mateixa quantitat d’electrons que de protons doncs els àtom trivalents aportats també
són neutres.
En el cas d’un semiconductor extrínsec de tipus n realitzem un dopatge amb àtoms
pentavalents, és a dir amb 5 electrons a la banda de valència, típicament el fòsfor (P),l’arsènic (As) o l’antimoni (Sb). Aquests àtoms s’anomenen impureses donadores
doncs al tenir la banda de valència plena amb 8 electrons disposen d’un electró lliure
que directament salta a la banda de conducció. Evidentment continuarem tenint però un
material neutre doncs els àtoms pentavalent així ho són.

Representació d’estructura cristal·lina amb un àtom pentavalent al centre

Enaquest cas tots els forats seran deguts a l’efecte tèrmic o intrínsec mentre que els
electrons lliures són deguts en part a aquest efecte i en part al dopatge o efecte extrínsec.
En aquest cas si anomenem ND a la concentració volumètrica d’impureses donadores,
ND + pn = nn
on el subíndex n indica que parlem d’un semiconductor extrínsec d’aquest tipus. En
aquest cas s’anomenen portadorsmajoritaris als electrons lliures i portadors minoritaris
els forats. Si realitzéssim un doble dopatge, no habitual, d’àtoms trivalents i àtoms
pentavalents, s’hauria de complir que NA+n=ND+p.
Una altra equació important que es compleix per qualsevol semiconductor és la llei
d’acció de masses d’Einstein on s’afirma que, np=ni2 , és a dir que el producte de la
concentració volumètrica d’electronslliures per la concentració volumètrica de forats és
sempre igual a la concentració intrínseca (que depèn de la temperatura) al quadrat.

9.3 La junció p-n en circuit obert i com a rectificador
9.3.1 Junció d’un semiconductor p i un semiconductor n
Quan unim dos semiconductors, un de tipus p i un altre de tipus n, es produeix un
moviment de portadors des d’un material cap a l’altre amb la...