UNION P-N

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http://webpersonal.uma.es/~ECASILARI/Docencia/Applets/ 3.Union_PN_en_equilibrio_y_polarizada/Applet3.html

http://webpersonal.uma.es/~ECASILARI/Docencia/Applets/ 4.La_ley_de_Shockley/Applet4.html

http://webpersonal.uma.es/~ECASILARI/Docencia/Applets/Applet3/ DiodoConmutaApplet.html

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SOLUCION

PRIMER APPLETS:

En este applet se simula el DIODO de unión PN polarizado considerando sus características de:

ArrastreRecombinaciónDifusiónElectronesHuecos

Cuando los valores son positivos

Cuando los valores son negativos

SEGUNDO APPLETS

En este applet se simula la LEY DE SHOCKLEY describiendo el flujo de corriente en una unión, considerando:

RecombinaciónCorrientesParámetros

Realizando la simulación aplicando los tres parámetros

Modificando valores haciendo uso de corrientes y parámetros

Modificando valores haciendo uso de recombinación, corrientes y parámetros

Utilizando recombinación y parámetros:

TERCER APPLETS

En este applet se simula la conmutación de un diodo, pudiendo cambiar la

tensión aplicada en sus bornes de positiva a negativa y viceversa. Para ello se

dispone del esquema de un circuito con dos fuentes de tensión (una positiva y

otra negativa) y un conmutador, un circuito de polarización (que incluye una

resistencia) y un diodo de unión.

Este esquema se sitúa en la parte superior derecha del applet y se puede

conmutar entre tensiones haciendo click con el ratón en la zona entre las dos

fuentes de tensión. Al iniciar la aplicación aparecerá un mensaje y una flecha

que señala la mencionada zona sensible.

Conmutación del diodo

Manipulando parámetros del circuito

Parámetros del diodo

Activando solo tensión

Activando corriente

Activando carga

Activando tensión

ANEXO

1. DIODOEl diodo es un semiconductor más básico, se usa fuertemente en la industria, su funcionamiento está basado en la unión PN (positivo, negativo). Es un elemento de circuito no lineal, muy simple, la relación entre el voltaje y la corriente eléctrica no es una recta.

El diodo se utiliza para diferentes propósitos, ya que permite el flujo de la corriente eléctrica en una sola dirección, actúa como una válvula y es el componente ideal para rectificar una corriente alterna a corriente continua.

Su resistencia protege en el caso de sobrecarga de corriente y protege a los semiconductores.

1.1. Representación de un diodo

2. SEMICONDUCTOREl semiconductor más usado es el silicio; en un cristal de silicio cada átomo está unido a sus vecinos con 4 electrones formando enlaces covalentes. Cuando se incrementa la temperatura algunos electrones pueden ganar energía térmica y escapan quedando libres para conducir.Los enlaces rotos pueden ser ocupados por otros electrones y al estado roto lo llamamos hueco.

Hueco. Es un enlace roto a efectos de que un electrón ganó energía, los huecos se comportan con una carga y masa positiva. Los enlaces rotos pueden ser ocupados por otros materiales.

3. SEMICONDUCTOR TIPO P Y SEMICONDUCTOR TIPO N

3.1. SEMICONDUCTOR TIPO PEs un semiconductor extrínseco de Germanio o Silicio dopado con impurezas de Fósforo o Arsénico que donan un electrón por cada átomo, ya que son átomos pentavalentes.El semiconductor de tipo N, en estado de reposo tiene muchos electrones y unos cuantos huecos. Tiene una resistencia baja porque sus impurezas son donadoras. Al polarizar (conectar dos placas) en los extremos del semiconductor y se hace pasar una corriente eléctrica (flujo de electrones), los electrones libres son atraídos por la terminal positiva y los huecos que son minoría se van al terminal negativo ayudados por los electrones vecinos.

Figura 1.

Algunos electrones provenientes del cable ingresan al semiconductor debido a que los huecos toman iones positivos, se comportan como cargas positivas, estos atraen a los electrones y se combinan hasta convertir el semiconductor como un cristal extrínseco puro, y se comporta como aislante perfecto y por lo tanto su resistencia es enorme al ser completados los huecos.

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Figura 2.

3.2. SEMICONDUCTOR TIPO PEs un semiconductor extrínseco de Germanio o Silicio, dopado con impurezas de Boro, Aluminio o Galio que donan un hueco por cada átomo debido a que son átomos trivalentes. El semiconductor tiene muchos huecos que son dopados por la placa negativa ayudado por los electrones vecinos. Cada electrón proveniente del alambre entran fácilmente al cristal recombinándose con cada uno de los huecos de las impurezas trivalentes que dentro del material (semiconductor) experimentan una fuerza de atracción con la placa positiva y para poder continuar con el proceso se ayudan de los huecos.

El conductor se polariza y se convierte en un conductor que facilita la corriente eléctrica.

CONCLUSIÓN

Aislante perfecto

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Conductor

1. Un material Tipo N, tiene impurezas con electrones mayoritarios que ejercen una corriente eléctrica que se comportan como un aislante perfecto, su resistencia es grande.

2. Un material Tipo P, tiene impurezas con huecos mayoritariamente (impurezas aceptadoras) que al ejercer una corriente eléctrica cada hueco acepta un electrón proveniente del exterior y el material se comporta como un conductor. Por lo tanto la resistencia es pequeña.

3.3. UNIÓN P-NLa Unión P-N, es la unión de material Tipo P y N, es decir la unión de un material conductor y un aislante. Un fabricante puede construir un material que contenga la unión Tipo P y Tipo N. Los dos materiales en un solo material, el cual estará limitado por una línea de unión.

Los electrones libres del material Tipo N se mueven en diferentes direcciones, algunos traspasan la línea de unión llegando al material Tipo P y se ubican junto a la línea de unión, es decir, próximos a los huecos el material Tipo P y de los electrones del material Tipo N que se encuentra junto a la línea de unión.

Figura 1.

Los electrones del Tipo N que pasaron la línea de unión y los huecos del Tipo P, se unen al electrón más próximo. Es decir, los que se encuentran junto a la línea de unión, los cuales forman una zona de Deflexión y en ambos lados de los materiales, se forman la zona de agotamiento o empobrecimiento.

Figura 2.

Material Tipo P

Material Tipo N

Línea de unión

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Material Tipo P

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Zona de Deflexión

Zona de agotamiento o empobrecimiento

Zona de agotamiento o empobrecimiento

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Los electrones del material Tipo N no podrán traspasar la línea de unión ya que se formará la zona de Deflexión que impide el paso de los electrones del Tipo N al Tipo P. Pero algunos electrones logran pasar, pero la zona de Deflexión se hará cada vez más ancha que impedirá el pase de los electrones del Tipo N.

Cuando ambos materiales se encuentren en equilibrio, la zona de Deflexión se convertirá en una barrera para los electrones del Tipo N.

Es más visible la carencia de huecos del lado P cercanos a la zona de Deflexión al formarse la zona de empobrecimiento, lo mismo ocurre con los electrones libres del lado N.

Figura 3.

Lado P.El electrón libre que ha pasado al lado P, se combina con el hueco del átomo trivalente, deja de ser libre y se convierte en un electrón de valencia, el cual queda cargado en forma negativa, hay más electrones en sus capas de valencia que protones en su núcleo.

Lado N.El átomo pentavalente pierde un electrón libre y atraviesa el lado P quedando cargo positivamente debido a la cantidad de protones del

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Material Tipo P

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Línea de unión

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Zona de Deflexión

Zona de agotamiento o empobrecimiento

Zona de agotamiento o empobrecimiento

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núcleo no ha cambiado. El átomo tiene un protón más en su núcleo, el cual queda positivamente.

Entre ambos materiales se forma la Potencial de Barrera con signo positivo y negativo, lo que permitió la creación de los semiconduct

Figura 4.

3.4. LEY DE SHOCKLEY

William Bradford Shockley (13 de febrero de 1910 - 12 de agosto de 1989), físico estadounidense. Junto con John Bardeen y Walter Houser Brattain, obtuvo el premio Nobel de Física en 1956 “por sus investigaciones sobre semiconductores y el descubrimiento del Transistor".

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Material Tipo P

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Zona de Deplexión

Zona de agotamiento o empobrecimiento

Zona de agotamiento o empobrecimiento

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POTENCIAL DE BARRERA

En 1955, Shockley abandonó los laboratorios Bell y regresó a su ciudad natal, Palo Alto, California, en las proximidades de la Universidad de Stanford, para crear su propia empresa, Shockley Semiconductors Laboratory, con el apoyo económico de Arnold Beckman, de Beckman Instruments. Contando con la influencia de su prestigio y el respaldo económico de Beckman Instruments trato de convencer a varios de sus compañeros de trabajo de Bell que se unieran a él en la nueva empresa; ninguno quiso. Por lo tanto empezó a rebuscar en las universidades a los más destacados estudiantes para formar con ellos la empresa. Pero, dado su estilo empresarial, ocho de los investigadores abandonaron la compañía en 1957 para formar la empresa Fairchild Semiconductor. Entre ellos estaban Robert Noyce y Gordon Moore que más tarde crearían Intel.

A finales de los años 1960, Shockley realizó unas controvertidas declaraciones acerca de las diferencias intelectuales entre las razas, defendiendo que las pruebas de inteligencia mostraban un factor genético en la capacidad intelectual revelando que los afro-estadounidenses eran inferiores a los estadounidenses caucásicos y que la mayor tasa de reproducción entre los primeros ejercía un efecto regresivo en la evolución.

Entre sus publicaciones destaca "Electrones y huecos en el semiconductor", obra publicada en 1950.

Ecuación de ShockleyModelo de Shockley del Diodo

El modelo matemático más empleado en el estudio del diodo es el de Shockley (en honor a William Bradford Shockley) que permite aproximar el comportamiento del diodo en la mayoría de las aplicaciones. La ecuación que liga la intensidad de corriente y la diferencia de potencial es:

DóndeI : Es la intensidad de la corriente que atraviesa el diodo y VD la

diferencia de tensión entre sus extremos.

IS : Es la corriente de saturación (aproximadamente 10−12A)q : Es la carga del electrónT : Es la temperatura absoluta de la uniónK : Es la constante de BoltzmannN : Es el coeficiente de emisión, dependiente del proceso de fabricación del

diodo y que suele adoptar valores entre 1 (para el germanio) y del orden

de 2 (para el silicio).

El término VD = kT/q = T/11600 es la tensión debida a la temperatura, del orden de 26 mV a temperatura ambiente (300 K ó 27 °C).

Con objeto de evitar el uso de exponenciales (a pesar de ser uno de los modelos más sencillos), en ocasiones se emplean modelos más simples aún, que modelizan las zonas de funcionamiento del diodo por tramos rectos; son los llamados modelos de continua o de Ram-señal.