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Unión n-p. Pag1
1. EXPERIMENTO No 10:
UNION
n-p
2. OBJETIVO


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

Conocer la estructura de una juntura n-p y el equilibrio dinámico que en ella
ocurre.
Conectar la juntura a una batería para polarización directa e inversa.
Aplicar tensiones a la juntura y medir las corrientes correspondientes
producidas.
Construir la gráfica corriente-voltaje y compararlas con la ecuación teórica.
Observar la rectificación de la corriente.
3. TEORIA
Al unir un semiconductor tipo n con otro tipo p se forma en la frontera un potencial de
contacto V0 . El diagrama de bandas adquiere entonces la forma
Fig. 1
para mantener un solo nivel Fermi EF tal que eV0 = EFn - EFp . El potencial de
contacto impide que un mayor número de portadores mayoritarios crucen la frontera. Se
trata más bien de un equilibrio dinámico, vale decir, los portadores mayoritarios
continuarán cruzando la frontera, pero el flujo de electrones (vacancias) de n a p será
igual al flujo de electrones (vacancias) de p a n. En estas condiciones el valor de V0
no cambia. Se demostrará esta situación para electrones dejando constancia que un
tratamiento paralelo será válido para vacancias.
La concentración de electrones en los dos SC está dada por:
ne  Nc e  (E  E )/kT
g
F
Pero n ep << n ee Esta situación está ilustrada en la gráfica anterior. La gráfica
muestra también que los electrones de la banda de conducción BC de la región p no
están impedidos de trasladarse a la región n de manera que el flujo de electrones de p a
n : i(pn) será proporcional a n ep .
i(p

n)  Ae-(E
gp
- EF)/kT
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En cambio no todos los electrones de la BC del tipo n pueden pasar al lado p debido a la
presencia de una barrera de potencial eV0 . Solo una fracción f de ellos puede hacerlo:
aquellos que tienen energías superiores a eV0 . El valor de f está dado por la función
Fermi-Dirac que a temperaturas del medio ambiente puede ser reemplazada por la
distribución Maxwell Boltzmann.
f  [e eV /kT  1] -1  e -eV /kT
0
0
El flujo de electrones de n a p es entonces:
i(n  p)  Afn  Ae -eV /kT e (E
0
gn
EF)/kT
 Ae (E
gp
EF)/kT
 i(p  n)
RECTIFICACIÓN :
El valor de la energía potencial de contacto eV0 puede modificarse conectando cada
región a los polos de una batería de voltaje  siendo Vd la diferencia de potencial entre
las dos partes de la unión.
Un primer tipo de conexión, llamada polarización directa, es obtenida conectando la
región n al negativo de la batería y la región p al positivo. La región n recibe entonces
carga negativa extra de la batería y la región p, carga positiva. La barrera de energía
potencial disminuye en eVd y por lo tanto mayor fracción f de electrones pueden pasar
de la región n a la p. Esta conexión no altera el pasaje de electrones de p a n puesto que
ellos no tienen el impedimento de la barrera (fig.2a). El flujo neto de electrones es
entonces:
i  i(n
 p)  i(p  n)
 i(p

 Ae [E
n) eeV /kT - i(p
d
gn

 EF  e(Vb  V0)]/kT
 i(p
n)  i0 (eeV /kT - 1)
d
 n)
…….. ( I )
Donde i0 = i(pn) es la corriente asociada con el flujo de portadores minoritarios (En
este caso, electrones en la región p) y no cambia con el voltaje de la batería. Se le
denomina también, corriente de saturación inversa.
Un segundo tipo de conexión es llamada inversa : La región n es conectada al positivo
de la batería y la región p, al negativo. La región n adquiere entonces carga positiva
adicional de la batería y la región p, carga negativa de la misma. La barrera de energía
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potencial se incrementa en eVd. La fracción de electrones f que pueden trasladarse de n
a p disminuye mientras que los que se trasladan de p a n no sufren alteración alguna
(fig.2b). El flujo neto de electrones i = i(np) - i(pn) conduce a una ecuación similar
a la obtenida en la polarización directa siendo el signo de Vd la única alteración.
Puede combinarse los dos casos si reemplazamos la batería por una fuente de corriente
alterna pues el voltaje proporcionado obedece la ecuación  = M cos( 2  60 t )
(Fig. 3 ). Los valores positivos (caso a ) y negativos (caso b ) del voltaje se alternan.
En el primer caso pasará la corriente eléctrica y ,en el segundo, será bloqueada.
Fig.3 Voltaje de una fuente de corriente alterna
4. EQUIPO
01 Fuente de fem de c.c.
01 Resistencia o reostato de 42 ohmios
02 Multímetros digitales
01 Diodo o unión p-n
06 Cables de conexión
01 Osciloscopio
01 Fuente de c.a.
01 Resistencia de 1K
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5. PROCEDIMIENTO
a) Arme el circuito 2 a con el botón de la fuente en la posición 0.
b) Encienda la fuente y vaya aumentando progresivamente el valor de Vd hasta leer
en el voltímetro 0,8 V o un valor cercano a él. Lea la intensidad I y anote Vd e
I en la tabla I.
c) Disminuya progresivamente el valor del voltaje hasta llegar a 0 y continuar
hasta –0,8 V. Cada vez lea el valor correspondiente de I. Anótelos en la tabla.
Note que valores negativos de Vd son obtenidos permutando las salidas de la
fuente y corresponde a tener el circuito 2b. Es posible que para valores
negativos ,el multimetro no detecte el valor de I ,de manera que, en estos casos,
ponga I = 0.
d) Construya el circuito 2a o 2b, esta vez con la fuente de corriente alterna de bajo
voltaje(10V) y una resistencia grande ( 1 k  ).
- Conecte la fuente al osciloscopio. Compare la imagen con la fig.3. Detecte
el período de la señal y el voltaje máximo entregado.
- Conecte los extremos de la resistencia al osciloscopio. Dibuje la figura
observada en el círculo proporcionado, previa colocación de escalas en los 2
ejes.
NOTA.- El experimento debe efectuarse a una misma temperatura de la unión
n-p (Temperatura del laboratorio ). Para evitar que la temperatura suba, es
recomendable que entre medida y medida, se apague el equipo para permitir que
el diodo se enfríe.
6. REGISTRO DE DATOS :
a) Relación Vd vs i en una unión n-p
Tabla I
T( K ) = ________
Vd ( V )
I (mA)
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b)
c) Rectificación :
7. CALCULOS Y RESULTADOS
a) Grafique I vs. Vd .
b) A temperaturas del medio ambiente (T~ 300ºK) y con los valores conocidos de
e y k se obtiene e/kT 38,7. El mínimo valor no cero usado en las mediciones
para Vd en polarización directa, fue 0,1 V. Con este valor pequeño de Vd la
exponencial de la formula adquiere el valor 48 que es mucho mayor que 1.
Puede, por lo tanto, eliminarse el 1 y linealizar la ecuación (I) tomando
logaritmos :
Ln I = ln Io + ( e / kT ) Vd
………. ( II )
Con los datos de la Tabla I, use regresión logarítmica (ecuación II) para hallar
la pendiente m de la recta y el valor de la corriente de saturación I0 . Con m y
con los valores de e y T, puede, además, hallarse el valor de la constante de
Boltzmann k.
k=
I0 =
_________
_________
Con ellos, la ecuación ( I ) toma la forma numérica.
I (mA) = _________
(III)
c) Rectificación. Lo observado en 5d puede explicarse si combinamos los datos
tomados en (a) y (b), ( Tabla I ), con los datos proporcionados por la fuente
alterna ( Fig.3 ). Hágalo.
8.
CUESTIONARIO (05 PUNTOS)
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9.
CONCLUSIONES Y OBSERVACIONES