Unión PN

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pn - unión o unión electrón-hueco  - el área de contacto de dos semiconductores con diferentes tipos de conductividad - hueco ( p , del inglés  positivo  - positivo) y electrónico ( n , del inglés  negativo  - negativo). Los procesos eléctricos en uniones pn son la base para el funcionamiento de dispositivos semiconductores con una característica de corriente-voltaje no lineal( diodos , transistores y otros).

Regiones de carga espacial

En un semiconductor de tipo p , que se obtiene mediante un dopante aceptor , la concentración de huecos es mucho mayor que la concentración de electrones. En un semiconductor de tipo n , que se obtiene mediante una impureza donante , la concentración de electrones es mucho mayor que la concentración de huecos. Si se establece un contacto entre dos de estos semiconductores, surgirá una corriente de difusión  : los principales portadores de carga (electrones y huecos) fluyen aleatoriamente desde el área donde hay más hacia el área donde hay menos, y se recombinan con El uno al otro. Como resultado, prácticamente no habrá portadores de carga principales libres (móviles) cerca del límite entre las regiones, pero permanecerán iones de impurezas con cargas no compensadas [1] . La región en el semiconductor tipo p , que es adyacente al límite, recibe una carga negativa traída por los electrones, y la región límite en el semiconductor tipo n recibe una carga positiva traída por los agujeros (más precisamente, pierde la carga negativa arrastrado por electrones).

Así, en la frontera de los semiconductores se forman dos capas con cargas espaciales de signo opuesto, generando un campo eléctrico en la unión . Este campo induce una corriente de deriva en dirección opuesta a la corriente de difusión. Eventualmente, se establece un equilibrio dinámico entre las corrientes de difusión y deriva , y el cambio en las cargas espaciales se detiene. Las áreas agotadas con cargas espaciales inmóviles se denominan pn - transición [2] .

Propiedades del rectificador

Si se aplica un voltaje externo a las capas semiconductoras de tal manera que el campo eléctrico creado por él se dirija en dirección opuesta al campo existente en la unión, entonces se viola el equilibrio dinámico y la corriente de difusión prevalece sobre la corriente de deriva, rápidamente. aumentando con el aumento de voltaje. Tal conexión de voltaje a la unión pn se denomina polarización directa ( se aplica un potencial positivo a la región de tipo p en relación con la región de tipo n ).

Si se aplica un voltaje externo de modo que el campo creado por él esté en la misma dirección que el campo en la unión, esto solo conducirá a un aumento en el grosor de las capas de carga espacial. La corriente de difusión disminuirá tanto que prevalecerá una pequeña corriente de deriva. Tal conexión de voltaje a la unión pn se denomina polarización inversa (o polarización de bloqueo), y la corriente total que fluye a través de la unión, que está determinada principalmente por la generación térmica o de fotones de pares electrón-hueco, se denomina corriente inversa.

Capacidad

La capacitancia de la unión pn es la capacitancia de las cargas de volumen acumuladas en los semiconductores en la unión pn y más allá. La capacitancia de una unión pn no es lineal; depende de la polaridad y el valor del voltaje externo aplicado a la unión. Hay dos tipos de capacitancias de unión pn : barrera y difusión [3] .

Capacidad de la barrera

La capacitancia de barrera (o carga) está asociada con un cambio en la barrera de potencial en la unión y ocurre con una polarización inversa. Es equivalente a la capacitancia de un capacitor plano, en el que la capa de bloqueo sirve como capa dieléctrica y las regiones de unión p y n sirven como placas. La capacitancia de la barrera depende del área de unión y la permitividad relativa del semiconductor.

Capacidad de difusión

La capacitancia de difusión se debe a la acumulación en la región de portadores menores (electrones en la región p y huecos en la región n ) en la polarización directa. La capacitancia de difusión aumenta con el voltaje directo.

Exposición a la radiación

La interacción de la radiación con la materia es un fenómeno complejo. Convencionalmente, se acostumbra considerar dos etapas de este proceso: primaria y secundaria.

Los efectos primarios o directos consisten en el desplazamiento de electrones (ionización), el desplazamiento de átomos de los sitios de la red, en la excitación de átomos o electrones sin desplazamiento y en transformaciones nucleares debidas a la interacción directa de átomos de una sustancia (objetivo) con un flujo de partículas.

Los efectos secundarios consisten en una mayor excitación y destrucción de la estructura por electrones y átomos eliminados.

La excitación de electrones con la formación de pares electrón-hueco y los procesos de desplazamiento de átomos cristalinos de los sitios de la red merecen la mayor atención, ya que esto conduce a la formación de defectos en la estructura cristalina . Si se forman pares electrón-hueco en la región de carga espacial, esto conduce a la aparición de una corriente en los contactos opuestos de la estructura del semiconductor. Este efecto se utiliza para crear fuentes de alimentación betavoltaicas con una vida útil ultralarga (decenas de años).

La irradiación con partículas cargadas de alta energía siempre conduce a la ionización primaria y, según las condiciones, al desplazamiento primario de los átomos. Cuando se transfieren altas energías a los electrones de la red, se forman radiación delta, electrones de alta energía que se dispersan de la pista de iones, así como fotones y cuantos de rayos X. Cuando se transfieren energías más bajas a los átomos de la red cristalina, los electrones se excitan y pasan a una zona de mayor energía, en la que los electrones termolizan la energía emitiendo fotones y fonones (calentamiento) de varias energías. El efecto de dispersión más común de electrones y fotones es el efecto Compton .

Métodos de formación

Fusión de impurezas

Durante la fusión, un solo cristal se calienta hasta el punto de fusión de las impurezas, después de lo cual parte del cristal se disuelve en la masa fundida de impurezas. Al enfriarse, el monocristal se recristaliza con el material de impurezas. Tal transición se llama flotante .

Difusión de impurezas

La tecnología para obtener una transición de difusión se basa en el método de la fotolitografía . Para crear una transición difusa , se aplica a la superficie del cristal un fotorresistente , una sustancia fotosensible que se polimeriza por iluminación. Las áreas no polimerizadas se lavan, la película de dióxido de silicio se graba y la impureza se difunde en la oblea de silicio a través de las ventanas formadas . Tal transición se llama planar .

Crecimiento epitaxial

La esencia del crecimiento epitaxial es la descomposición de ciertos compuestos químicos con una mezcla de dopantes en un cristal. En este caso, se forma una capa superficial, cuya estructura se convierte en una continuación de la estructura del conductor original. Tal transición se llama epitaxial [3] .

Aplicación

Antecedentes históricos

Se reconoce oficialmente que la unión pn fue descubierta en 1939 por el físico estadounidense Russell Ohl en Bell Labs [4] . En 1941, Vadim Lashkarev descubrió una unión pn basada en fotocélulas y rectificadores de selenio [ 5] .

Véase también

Notas

  1. ↑ Breve teoría, 2002 .
  2. ↑ Electrónica, 1991 .
  3. ↑ 1 2 Akimova G. N. Tecnología electrónica. - Moscú: Ruta, 2003. - S. 28-30. — 290 págs. —BBC ISBN 39.2111-08.
  4. ↑ Riordan, Michael. Fuego de cristal: la invención del transistor y el nacimiento de la era de la información  / Michael Riordan, Lillian Hoddeson. - EE. UU.: W. W. Norton & Company, 1988. - P. 88–97. — ISBN 978-0-393-31851-7 . Archivado el 29 de julio de 2020 en Wayback Machine .
  5. ↑ Lashkariov, VE (2008) [1941]. “Investigación de una capa barrera por el método de la termosonda” (PDF) . Ukr. J Phys. [ Inglés ] ]. 53 (edición especial): 53-56. ISSN  2071-0194 . Archivado desde el original (PDF) el 28 de septiembre de 2015. Parámetro obsoleto utilizado |url-status=( ayuda )

Literatura

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