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Una juntura pn consta de un único cristal de material semiconductor que está dopado para producir material de tipo p en un lado y de tipo n en el otro. En la retícula cristalina es importante que en la unión no haya ninguna interrupción. Esto es posible solo si la unión se construye como un solo cristal. Sin embargo, de aquí en más se pensará a la juntura pn como la unión perfecta de dos tipos de materiales.

Justo antes de unir estos dos materiales, el lado n tiene una alta concentración de electrones libres y una baja concentración de huecos. En el material tipo p se tiene la condición inversa. Luego de unir ambos tipos de materiales, se encuentra un gradiente de concentración a lo largo de toda la unión de ambos tipos de portadores. Como se vio anteriormente, los únicos tres fenómenos que afectan a una carga libre (ya sea hueco o electrón) son la difusión (debido a la diferencia de concentración) el cual tiende a distribuir los portadores de carga libres de manera uniforme a lo largo del material, la deriva (debido a la influencia de un campo externo) y la generación y recombinación.

Como primer efecto al unir los materiales y debido a la diferencia de concentración, se encuentra la difusión. Todos los electrones en exceso del lado n tenderán a moverse hacia el lado p donde hay menos concentración, y los huecos desde el lado p al lado n. Para que existan mas electrones libres del lado n se agregaron impurezas pentavalentes. A temperaturas de trabajo normales, casi todos los átomos de impurezas aportan su quinto electrón y el átomo queda ionizado con una carga positva asociada. Si el material conserva todos los electrones y es sólo material tipo n, la carga positiva se encuentra equilibrada con los electrones libres y la concentración de carga neta en el material es cero.

Pensando en la situación que representa un material extrínseco (con impurezas) se puede decir que éste consta de una retícula de material semiconductor (átomos de material) donde, aleatoriamente, algunos átomos se los introduce con otras características en la última capa (la capa de valencia). Es decir,  en un material donde los electrones libres son los portadores de carga mayoritarios,  el material que inserta las impurezas posee más electrones en su capa de valencia que el silicio. Lo contrario sucede con los materiales donde los portadores de carga mayoritarios son los huecos.

Al unir dos materiales de distinto tipo, los huecos y electrones poseen la libertad de moverse en cualquiera de ellos. Por difusión pasarán al lado de menor concentración, pero en este caso el átomo ionizado no queda equilibrado ya que por ejemplo, si se trata de un material tipo n el electrón libre pasará al material tipo p donde se recombinará facilmente por ser un portador minoritario en ese lado, dejando atrás una carga positiva (el átomo ionizado) que no puede moverse ya que no es libre, sino que pertenece a la retícula. Del lado p la situación es similar, pero las cargas de átomos ionizados son negativas. Como los huecos y electrones que primero pasan a través de la unión son los más cercanos a ella, se forma una especie de región de agotamiento de portadores libres, donde lo único que hay son cargas ionizadas. El material en conjunto sigue siendo neutro, solo la unión presenta carga distinta de cero.  Este fenómeno continúa hasta que se forma un campo eléctrico debido a la diferencia de potencial que las cargas fijas de átomos ionizados generan.

Este campo eléctrico admite al otro fenómeno que afecta a las cargas libres, la deriva. El campo eléctrico se opone a la difusión de portadores mayoritarios, evitando así que la juntura pn posea una distribución de portadores uniforme. El potencial que se forma en la unión se lo denomina barrera de potencial. Cualquier electrón o hueco que reúna la suficiente energía como para cruzar la barrera lo hará, pero ésto no sucederá mientras la energía no provenga de una fuente externa. Se logra así un equilibrio entre difusión y deriva que permite que lejos de la unión los materiales sigan conservando sus características particulares.

Juntura PN

Juntura PN

Aún con la barrera de potencial en la unión las corrientes siguen existiendo, aunque la corriente neta es cero por ser éstas iguales pero de dirección opuesta. Cada corriente está asociada con el fenómeno de difusión para los portadores mayoritarios con suficiente energía para cruzar la barrera de potencial  (una para electrones y otra para huecos) y el fenómeno de deriva para los portadores minoritarios que entran en la región de agotamiento y son impulsados por el campo eléctrico (una para electrones y otra para huecos). En total suman cuatro corrientes en equilbrio y la corriente neta es cero.

One Comment

  1. Excelente articulo. La verdad me resultó muy útil.


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