Los materiales, según tengan distribuidos los electrones que les corresponde en sus orbitales, se clasifican entre aislantes, conductores o semiconductores. Hemos hablado sobre esta distribución y las bandas donde se sitúan los electrones en el artículo sobre el gap de energía o banda prohibida. Por lo que para este nuevo artículo solo recordaremos los términos gap, Energía de Fermi, banda de valencia y banda de conducción.
- Nivel o energía de Fermi (EF): La energía del nivel más alto ocupado por un sistema cuántico en el cero absoluto (0 ºK).
- Banda de valencia: La banda de energía más alta de las ocupadas completamente por los electrones de un sólido.
- Banda de conducción: La primera banda no completa.
- Gap: Distancia entre las bandas de valencia y conducción. Contiene la EF.
Los materiales que tienen la última banda sin completar, electrones en la banda de valencia o con una superposición de bandas en sus cristales que permita un movimiento de electrones a la banda superior de conducción se denominan materiales conductores. Los materiales que tienen completa su banda de valencia con un gap suficientemente grande para no permitir el salto de electrones son aislantes. Y los que presentan bandas completas pero con gaps de energía que los electrones puedan saltar con pequeñas energías, se denominan semiconductores.
El gap del cristal se puede reducir añadiendo a la estructura cristalina átomos diferentes con más o menos electrones en su configuración electrónica. Estos nuevos conductores «dopados» con impurezas se llaman semiconductores extrínsecos. Clasificándose en semiconductores tipo N, aquellos que tienen su EF dentro del gap pero cerca de la banda de conducción y átomos con más electrones, y de tipo P a los que tienen la EF cerca de la banda de valencia y átomos con menos electrones (más huecos).
Dentro del mismo semiconductor la situación es estable. Pero cuando se crea una interfaz por contacto entre dos piezas de semiconductores diferentes la situación puede cambiar. Como es el caso de la unión entre materiales de tipo P y de tipo N. Más conocida como unión PN.
Un conductor de tipo N tiene una alta proporción portadores mayoritarios negativos o electrones, e–. Mientras que uno de tipo P que tenga una alta proporción de portadores positivos o huecos (siendo un hueco el opuesto a un electrón), p+. Estos semiconductores son eléctricamente neutros cuando se encuentran de forma aislada. Pero la cosa cambia cuando se colocan juntos y se crea la interfaz de la unión PN.
En la naturaleza las cargas negativas son «atraídas» por las positivas, por lo que en la zona de contacto los electrones de N se verán atraídos por los huecos de P. En la unión PN esta atracción producirá saltos de electrones del semiconductor N al P. Estos electrones se repartirán entre los átomos de P que se convertirán en aniones o iones negativos. Mientras que los átomos de N que han perdido los electrones se convertirán en cationes o iones positivos. Y la zona espacial donde se produce esta transfusión de electrones se denomina zona de carga o zona de deplexión.
En la zona de carga de la unión PN se encuentran por un lado aniones y por el otro cationes. Estos átomos crean una especie de barrera que impide que nuevos electrones salten entre semiconductores con su propia energía. Entre los aniones y los cationes, una vez estables, se crea una diferencia de potencial entre los lados de la zona que ya no es eléctricamente neutra. Según los materiales utilizados, esta unión PN que suele denominarse diodo, puede presentar una diferencia de potencial de entre 0,3 y 0,6 V (Voltios).
Para romper el equilibrio y que más electrones puedan saltar a los huecos libres, y que se produzca la conducción hay que y excitar los electrones con energía externa, para que puedan saltar la zona de carga. Para conseguir este efecto conectamos el semiconductor a una fuente externa, como una pila. Pero el sistema nos permite dos configuraciones. Polarización directa y polarización inversa.
En polarización directa, la pila se conecta con el polo positivo en la zona P y el negativo en la zona N. Los electrones son inyectados en la zona N mientras que los huecos se inyectan (extraen electrones) en la zona P. Con este aporte extra de energía y portadores, los huecos se ven empujados hacia la zona de unión reduciendo la zona de carga. Con lo que los electrones de N, empujados y excitados, pueden saltar hasta los huecos generando conducción en la unión PN o diodo conductor.
Por contra, si configuramos el sistema con polarización inversa, el polo positivo se conecta al tipo N y el negativo al tipo P. Los aportes de electrones y huecos en este caso está cruzados, y la inyección de portadores recombina los iones libres ensanchando la zona de carga. Este ensanchamiento aumenta la diferencia de potencial haciendo que los electrones no puedan saltar convirtiendo la unión PN o diodo en un aislante.
Estas interfaces naturales son la base de los circuitos eléctricos modernos. Las uniones PNP y NPN de silicio o galio dopadas con las tierras raras potencian los transistores con los que se fabrican casi todos los objetos que consumimos en la actualidad. Son la base de la tecnología actual.
Referencias:
- https://www4.ujaen.es/~jamoleon/ffisicos/TeoriaBandas.pdf
- https://www.uv.es/candid/docencia/Tema3(01-02).pdf
- https://ingelibreblog.wordpress.com/2014/09/29/union-pn/
- https://www.areatecnologia.com/electronica/union-pn.html (imágenes)
- https://pelandintecno.blogspot.com/2014/04/como-funciona-una-union-pn.html
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