Semiconductores — tipo P, tipo N y unión PN

Un semiconductor es un material cuya conductividad eléctrica puede diseñarse. En el silicio, los dopantes donadores producen material tipo n con electrones como portadores mayoritarios, los dopantes aceptores producen material tipo p con huecos como portadores mayoritarios, y al unir ambos se crea una unión PN que conduce mucho más fácilmente en polarización directa que en polarización inversa.

Esa sola idea explica gran parte de la electrónica básica. Los diodos, los LED, las células solares y muchas estructuras de transistores dependen de cómo se mueven los portadores en regiones semiconductoras dopadas.

Qué es un semiconductor

En una imagen simple de bandas, un semiconductor tiene una banda de valencia llena, una banda de conducción casi vacía y una banda prohibida lo bastante pequeña como para que el comportamiento de los portadores pueda cambiar en condiciones normales de funcionamiento. El silicio puro a temperatura ambiente tiene algunos portadores móviles, pero muchos menos que un metal.

Así que la pregunta clave no es solo “¿conduce?”. La pregunta útil es “¿qué cambia el número y el movimiento de los portadores de carga?”. En los semiconductores, la respuesta suele ser el dopaje, los campos eléctricos, la temperatura o la luz.

Semiconductores tipo P frente a tipo N

El material semiconductor puro suele llamarse intrínseco. Cuando añades deliberadamente una pequeña cantidad de átomos de impureza, creas un semiconductor extrínseco.

En el silicio, un dopante donador como el fósforo puede aportar un electrón extra débilmente ligado. Eso produce material tipo n, donde los electrones son los portadores mayoritarios.

Un dopante aceptor como el boro deja al cristal con un electrón de enlace menos en la imagen simple de enlaces. Eso produce material tipo p, donde los huecos son los portadores mayoritarios.

Un hueco no es un protón ni una partícula fundamental separada. Es una forma conveniente de seguir el movimiento de electrones ausentes en un conjunto de estados casi lleno. En muchos problemas, tratar los huecos como portadores móviles positivos hace que la física sea mucho más fácil de seguir.

Cómo cambia la conductividad con el dopaje

El dopaje cambia qué tipo de portador es más fácil de mover. En el material tipo n, hay muchos más electrones disponibles para la conducción que en el silicio intrínseco. En el material tipo p, el movimiento de huecos pasa a ser la contribución dominante.

El cristal sigue siendo eléctricamente neutro en conjunto. Ese punto importa. Tipo p no significa que todo el sólido tenga una carga neta positiva, y tipo n no significa que tenga una carga neta negativa.

Cómo se forma una unión PN

Cuando se unen regiones tipo p y tipo n, los portadores no permanecen perfectamente separados. Los electrones cerca de la unión se difunden desde el lado n hacia el lado p, y los huecos se difunden desde el lado p hacia el lado n.

Cerca de la frontera, muchos de esos portadores se recombinan. Eso deja atrás dopantes ionizados fijos: iones donadores con carga positiva en el borde del lado n e iones aceptores con carga negativa en el borde del lado p.

Esta región se llama región de agotamiento porque está agotada de la mayoría de los portadores móviles, no porque la materia desaparezca. Las cargas descubiertas crean un campo eléctrico interno y una barrera incorporada que se opone a una difusión adicional.

Esa barrera que se forma por sí sola es la clave del comportamiento del diodo. Cualquier explicación de la polarización directa o inversa tiene que seguir qué ocurre con esta barrera.

Ejemplo resuelto: polarización directa frente a polarización inversa en un diodo de silicio

Toma un diodo de silicio simple formado por una región tipo p y una región tipo n.

Caso 1: Sin batería externa

En cuanto se forma la unión, la difusión y la recombinación crean la región de agotamiento. El campo eléctrico incorporado se opone a una difusión adicional de portadores, así que la unión alcanza el equilibrio.

Caso 2: Polarización directa

Ahora conecta el lado p al terminal positivo de una batería y el lado n al terminal negativo. Esto es polarización directa.

En esa condición, el campo externo reduce la barrera efectiva a través de la unión. La región de agotamiento se vuelve más estrecha, y los portadores mayoritarios pueden cruzar la unión con más facilidad. Entonces la corriente puede aumentar mucho.

Caso 3: Polarización inversa

Invierte la batería para que el lado p sea negativo y el lado n sea positivo. Esto es polarización inversa.

Ahora el campo externo aumenta la barrera y ensancha la región de agotamiento. Los portadores mayoritarios son alejados de la unión, así que la conducción normal sigue siendo pequeña. Las uniones reales aún tienen cierta fuga inversa, y una tensión inversa muy grande puede causar ruptura, así que “no hay corriente en absoluto” no es la imagen correcta.

Esta es la idea principal del diodo en un solo ejemplo. La unión no es una válvula mecánica de un solo sentido. Es un sistema de portadores y campos cuya barrera cambia con la polarización aplicada.

Errores comunes en preguntas sobre semiconductores

• Decir que el material tipo p está cargado positivamente en conjunto. Sigue siendo eléctricamente neutro en conjunto.
• Tratar un hueco como una partícula literalmente cargada positivamente, como un protón. Es un modelo para describir el comportamiento de electrones ausentes.
• Pensar que la región de agotamiento es espacio vacío. Es principalmente una región con muy pocos portadores móviles y muchos dopantes ionizados fijos.
• Suponer que la polarización inversa significa exactamente corriente cero. Los dispositivos reales suelen tener una pequeña fuga, y una tensión inversa suficientemente alta puede cambiar por completo el comportamiento.
• Memorizar “directa bien, inversa mal” sin seguir qué ocurre con la barrera y con el movimiento de los portadores.

Dónde se usan las uniones PN y los semiconductores

Los semiconductores aparecen en cualquier lugar donde un dispositivo necesite un comportamiento eléctrico controlado en lugar de una simple conducción metálica. Las uniones PN son la base de los diodos rectificadores, los LED, los fotodiodos, las células solares y gran parte del diseño de transistores.

Una vez que tienen sentido las regiones tipo p, tipo n y de agotamiento, muchas ideas de electrónica se vuelven menos misteriosas. Un transistor deja de ser solo un símbolo de circuito. Pasa a ser una estructura que controla el flujo de portadores dando forma a regiones semiconductoras y campos eléctricos.

Prueba un caso similar

Prueba tu propia versión con un LED o una célula solar. Haz las mismas preguntas en orden: dónde están los portadores mayoritarios, qué campo existe en la unión y qué cambia cuando aplicas polarización directa, polarización inversa o luz.