Entendiendo la unión PN con polarización inversa

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Estoy tratando de entender un cruce PN sesgado inversamente, conceptualmente. Para referencia, adoptaré la convención de que el tipo P está a la izquierda, y el tipo N está a la derecha. Por lo tanto, sin un sesgo, la región de agotamiento se forma y debería haber un paso de potencial eléctrico positivo de P a N. Este paso de potencial evita que más agujeros se difundan hacia el lado N y que los electrones se difundan hacia el lado P. Entiendo que la aplicación de un sesgo hacia adelante reducirá esta barrera, permitiendo a los operadores cruzar la unión con bastante facilidad.

Por lo tanto, la aplicación de un sesgo inverso aumenta el paso potencial, lo que dificulta aún más la migración de los agujeros a la derecha y la migración de los agujeros a la izquierda. Pero aquí es donde entra mi confusión: ¿quién les está pidiendo que lo hagan? Si el lado positivo de la fuente de voltaje se aplica al lado N, ¿no debería apuntarse la corriente del electrón de izquierda a derecha y la corriente del pozo debe apuntarse de derecha a izquierda? En ese caso, el "paso" potencial debería ser un "descenso", que los transportistas deberían estar felices de cruzar.

Entonces, ¿qué me estoy perdiendo aquí?

Editar

Creo que lo descubrí, ¿alguien puede confirmar que el siguiente entendimiento es correcto? El lado N podría, en teoría, proporcionar la corriente de electrones, y el lado P podría proporcionar el agujero corriente. pero para completar el circuito, una corriente de electrones tendrá que fluir fuera del ánodo de la fuente de voltaje, y todo el camino a través del lado P. Los electrones que entren en el lado P deben poder rellenar los orificios de los aceptadores y migrar hacia la derecha a medida que los orificios se desvían hacia la izquierda. Sin embargo, cuando los electrones llegan a la región de agotamiento, todos (o la mayoría) de los aceptadores ya han sido llenados por los electrones que se difundieron desde el lado N. Así que no solo quedan pocos agujeros (si es que quedan) por rellenar en la región de agotamiento, sino que también hay una carga neta negativa debido a los iones aceptores, por lo que habrá una fuerza que empuja los electrones hacia atrás. Supongo que si algunos electrones logran superar esta pared de iones aceptores, entonces podrían deslizarse hacia abajo de la colina potencial hacia el lado N, pero el problema es llegar tan lejos en primer lugar.

    
pregunta brianmearns

3 respuestas

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Corriente de difusión

Cuando se forma una unión p-n, un fenómeno de difusión hace que los electrones de la región n-dopada se difundan a la región p-dopada. Al mismo tiempo (aunque sea una abstracción) los agujeros se difunden desde la región de tipo p a la de tipo n. Los átomos que pierden un portador (electrón o agujero) se convierten en iones, lo que significa que, en lugar de ser neutros, tienen una carga neta positiva o negativa. Esto sucede porque el equilibrio ideal tendría la misma concentración de operadores de telefonía móvil igual en toda la región.

Corriente óhmica

Sin embargo, esta difusión provoca el crecimiento de una región, poblada por iones, llamada región de agotamiento , porque todos los átomos han perdido su portador. Estos iones, como dijimos, están cargados eléctricamente y causan un campo eléctrico dirigido desde la región n a la región p, empujando a los portadores en la dirección opuesta a la difusión. Por lo tanto, se alcanza un equilibrio en el que la corriente (movimiento de las portadoras) causada por la difusión está perfectamente equilibrada por la corriente causada por el campo eléctrico (corriente óhmica).

Efecto de sesgo

Aplicar un potencial a la unión causa una perturbación en este equilibrio, haciendo que una de las corrientes sea dominante en la otra. La polarización inversa de la unión hace que la corriente óhmica prevalezca, mientras que la polarización directa aumenta la corriente de difusión.

Ahora, la corriente de difusión es un fenómeno mucho más fuerte, del cual deriva el crecimiento exponencial de la corriente de polarización directa con el voltaje de polarización. En el otro lado, la corriente óhmica es mucho más débil y se satura bastante pronto (descuidando el efecto de avalancha) porque el ancho de la región de agotamiento (que determina la resistividad) es proporcional al voltaje de polarización inversa.

    
respondido por el clabacchio
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Honestamente, encontré las otras respuestas aquí bastante incompletas. He investigado esto un poco más y la diferencia clave entre el sesgo hacia adelante y hacia atrás es si está intentando mover a los transportistas mayoritarios o minoritarios a través de la zona de agotamiento.

Bajo el sesgo hacia adelante, estás tratando de mover los electrones del lado n al lado p. Dado que los electrones en el lado n son portadores mayoritarios, hay un gran número de electrones libres, lo que significa que no están unidos a ningún núcleo, y son relativamente fáciles de mover, una vez que se aplica un voltaje de polarización suficiente para darles la energía deben superar la barrera de potencial en la unión (alternativamente, una vez que la tensión de polarización aplicada reduce la barrera de potencial lo suficiente para que los electrones la crucen fácilmente).

Bajo el sesgo inverso, estás intentando mover electrones desde el lado p al lado n. Pero los electrones son portadores minoritarios en el lado p, por lo que hay muy pocos que son libres. La mayoría de los electrones en el lado n están unidos a átomos / iones como parte de los enlaces covalentes, y solo se pueden mover rellenando un agujero adyacente. Hay muchos agujeros en la región casi neutra del lado p, por lo que los electrones pueden moverse, pero una vez que alcanzan la región de agotamiento, hay muy pocos agujeros (si hay alguno) disponibles, que es lo que define la región de agotamiento . Por lo tanto, los electrones unidos no pueden moverse fácilmente a la zona de agotamiento y del lado p al lado n, por lo que no puede fluir ninguna corriente (hasta que se alcanza la ruptura, por supuesto).

Tenga en cuenta que el aumento de la magnitud del cambio de energía potencial en la unión que se asocia con el sesgo inverso es no la razón por la que la corriente no puede fluir. De hecho, debido a la orientación de la tensión de polarización inversa, la corriente realmente está tratando de moverse "cuesta abajo" a través de la unión, por lo que cualquier carga libre que realmente llegue a la unión será barrida fácilmente por esta gran caída de energía potencial.

De hecho, este debe ser el caso para que los BJT funcionen en el modo de emisor común, donde la unión del colector de la base está polarizada inversamente, pero el gran cambio de energía potencial no impide, ni siquiera significativamente, la corriente de fluyendo a través de la unión. En este caso, la unión de base-emisor con polarización directa proporciona ("emite") un gran suministro de electrones libres en la región de tipo p que constituye la corriente que fluye a través de la unión B-C.

    
respondido por el brianmearns
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El campo eléctrico generado por la carga espacial que tiende a contrarrestar la difusión en equilibrio en cero polarización. El campo eléctrico se colapsa a medida que se inclina más hacia adelante.

La zona de difusión es solo de unos pocos micrones, pero esta animación muestra los gradientes del campo eléctrico y está animada con cambios de sesgo.

(Imagentomadade Wikipedia )

Con una polarización negativa, los agujeros y el electrón se alejan de la unión con mayor fuerza en la zona de agotamiento, por lo que resisten el flujo de corriente y viceversa. La unión también reduce la capacitancia con la tensión. (por ejemplo, varicap es una capacitancia de control de voltaje de diodo más precisa, pero todos los diodos hacen esto)

Ambas polaridades son no lineales.

En la dirección inversa, cuando se alcanza el umbral de ruptura con una corriente de resistencia en serie, fluye nuevamente con más disipación de potencia de la caída de VI.

En la dirección hacia adelante, una vez que tiene lugar la conducción, el voltaje aumenta de acuerdo con la resistencia de la serie a granel o ESR.

La resistencia en serie no es la misma en ambas polaridades debido al dopaje y los factores del proceso material.

    
respondido por el Tony EE rocketscientist

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