Juntando semiconductores: el diodo n-p

Experientia docet Materia sólida Artículo 11 de 15

Fuente: ESA

La introducción de las impurezas adecuadas permite crear semiconductores de distintos tipos, el tipo n y el tipo p [1]. ¿Qué pasaría si tomamos un semiconductor tipo p con una superficie muy limpia y homogénea [2] y juntamos esta superficie con la superficie limpia y homogénea de un semiconductor tipo n? Piénsalo un momento antes de continuar.

Los electrones en la banda de conducción del semiconductor de tipo n pueden moverse a través del límite entre los dos semiconductores y caer en los huecos [3] en la banda de valencia de energía más baja del semiconductor de tipo p. Dicho de otra forma, al establecer el contacto, lo electrones libres de uno y los huecos del otro comienzan a desaparecer. Pero a medida que los electrones desaparecen en el tipo n, las cargas positivas de las impurezas ya no están equilibradas por los electrones conductores negativos que quedan, por lo que el tipo n se carga positivamente. Lo contrario sucede en el semiconductor de tipo p. A medida que desaparecen los huecos, las impurezas terminan teniendo un electrón extra, lo que hace que el tipo p se cargue negativamente.

El resultado de todo esto es que después de muy poco tiempo se establece un campo eléctrico neto entre los semiconductores tipo n y tipo p que detiene el proceso de destrucción mutua al mantener los electrones en el tipo n separados de los huecos en el tipo p, con una «capa agotada» [4] en el medio. Se alcanza pues un estado de equilibrio.

Estado de equilibrio del diodo n-p y formación de la zona agotada (z.c.e.) [4]. Fuente: Wikimedia Commons
Si ahora establecemos una diferencia de potencial, con una batería pequeña, por ejemplo, a través del dispositivo formado por el tipo p y el tipo n, que podemos llamar diodo n-p, el equilibrio se verá afectado o no dependiendo de cómo establezcamos la diferencia de potencial. Si el cable positivo se coloca en el material de tipo n y el cable negativo en el material de tipo p, la separación de los electrones y los agujeros se refuerza. No pasa corriente.

El positivo de la batería al tipo n. La zona agotada (z.c.e.) [4] se amplía. No hay corriente. Fuente: Wikimedia Commons.
Pero si invertimos los cables, de modo que el cable positivo llega al tipo p y el cable negativo al tipo n, los electrones negativos en el lado de tipo n se mueven hacia la capa agotada, y lo mismo pasa con los huecos positivos en el tipo p. Si el potencial externo aplicado es mayor que el potencial creado por el campo eléctrico entre los dos semiconductores, pasará la corriente en el diodo n-p.

El positivo de la batería al tipo p. Fluye la corriente. La zona agotada (z.c.e.) [4] desaparece. Fuente : Wikimedia Commons
¿Y esto para qué sirve? Si ahora llega un fotón desde el exterior y aporta energía de forma que un electrón del tipo n salte a la banda de conducción, la corriente aumentará. El diodo n-p por tanto se puede usar como una fotocélula aún más potente que un simple semiconductor solo. Quizás el uso más común de este tipo de fotocélula es la generación de electricidad a partir de la energía solar. Esto se puede hacer para dispositivos a pequeña escala, como los calculadores de bolsillo, o para necesidades de energía a mayor escala, como la energía para un edificio completo. Estas fotocélulas se suelen llamar células fotovoltaicas.

Notas:

[1] Para entender bien lo que sigue es conveniente leer antes Impurezas dopantes.

[2] Para visualizarlo puedes entender homogénea como plana, sin irregularidades, lo que permite un buen contacto.

[3] Personalmente creo que es más gráfico decir boquetes, pero mantenemos hueco por aquello de que es la palabra más habitual. Bujero tampoco me parecería mal, pero mejor no.

[4] Una capa de tierra quemada, donde los electrones y huecos se han compensado hasta que el campo eléctrico creado ha impedido que siguiese la destrucción. También se llama barrera interna de potencial o zona de carga espacial (z.c.e.).

Sobre el autor: César Tomé López es divulgador científico y editor de Mapping Ignorance

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