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Polarización en Uniones PN

Overview

  1. La polarización directa se produce cuando se aplica un voltaje a través de la célula solar de tal manera que el campo eléctrico formado por la unión PN se reduce. Se facilita la difusión de portadores a través de la región de agotamiento, y conduce a una mayor corriente de difusión.
  2. En la presencia de un circuito externo que proporciona continuamente portadores mayoritarios, la recombinación aumenta y agota constantemente la afluencia de portadores a la célula solar. Esto aumenta la difusión y en última instancia, aumenta la corriente a través de la región de agotamiento.
  3. La polarización inversa se produce cuando se aplica un voltaje a través de la célula solar de tal manera que el campo eléctrico formado por la unión PN se incrementa. La corriente de difusión disminuye.

Los dispositivos semiconductores tienen tres modos de funcionamiento:

1. Equilibrio Térmico

En el equilibrio térmico no hay agentes externos tales como luz o voltaje aplicado. Las corrientes se equilibran entre sí por lo que no hay corriente neta dentro del dispositivo.

2. Estado Estacionario

Bajo el estado de equilibrio o estacionario hay agentes externos como luz o voltaje aplicado, pero las condiciones no cambian con el tiempo. Los dispositivos normalmente operan en el estado estacionario y están en polarización directa o inversa.

3. Transitoria

Si la tensión aplicada cambia rápidamente, habrá un pequeño retraso antes de que la célula solar responda. Como las células solares no se utilizan para operar en alta velocidad hay pocos efectos transitorios adicionales que deben tenerse en cuenta.

Diodos bajo Polarización Directa

La polarización directa se refiere a la aplicación de voltaje a través del dispositivo de tal manera que el campo eléctrico en la unión se reduce. Con la aplicación de un voltaje positivo para el material de tipo p y un voltaje negativo para el material de tipo n, se crea, a través del dispositivo, un campo eléctrico con dirección opuesta a la de la región de agotamiento. Dado que la resistividad de la región de agotamiento es mucho más alta que en el resto del dispositivo (debido al número limitado de portadores en la región de agotamiento), casi todo el campo eléctrico aplicado cae a través de la región de agotamiento. El campo eléctrico neto es la diferencia entre el campo existente en la región de agotamiento y el campo aplicado (para dispositivos reales, el campo del potencial de contacto es siempre mayor que el campo aplicado), reduciendo así el campo eléctrico neto en la región de agotamiento. La reducción del campo eléctrico perturba el equilibrio existente en la unión, reduciendo la barrera de difusión de portadores desde un lado de la unión a la otra y aumentando la corriente de difusión. Si la difusión aumenta la corriente, la corriente de arrastre permanece esencialmente sin cambios, ya que depende del número de portadores generados dentro de una longitud de difusión de la región de agotamiento o en la propia región de agotamiento. Puesto que la región de agotamiento únicamente se reduce mínimamente en anchura, el número de portadores minoritarios barridos a través de la unión prácticamente no varía.

Inyección de Portadores y Flujo de la Corriente con Polarización Directa 

 

El aumento de la difusión de un lado de la unión a la otra causa la inyección de portadores minoritarios en el borde de la región de agotamiento. Estos portadores se mueven alejándose de la unión debido a la difusión y eventualmente se recombinan con un portador mayoritario. El portador mayoritario es suministrado desde el circuito externo y por tanto una corriente neta fluye bajo polarización directa. En ausencia de recombinación, la concentración de portadores minoritarios alcanzaría una nueva concentración de equilibrio más alta y, entonces, la difusión de portadores desde un lado de la unión a la otra cesaría, lo mismo que cuando se introducen dos gases diferentes. Inicialmente, las moléculas de gas tienen un movimiento neto desde la alta concentración de portadores a la región de concentración de portadores baja, pero cuando se alcanza una concentración uniforme, ya no hay un movimiento neto de moléculas de gas. En un semiconductor, sin embargo, los portadores minoritarios inyectados se recombinan y por lo tanto más portadores pueden difundirse a través de la unión. En consecuencia, la corriente de difusión que fluye en polarización directa es una corriente de recombinación. Cuanto mayor sea la tasa de eventos de recombinación, mayor es la corriente que fluye a través de la unión.

La "corriente de oscuridad" (I0) es un parámetro muy importante que diferencia a un diodo de otro. I0 es una medida de la recombinación en un dispositivo. Un diodo con una recombinación más grande tendrá una mayor I0.

Polarización inversa

En polarización inversa, un voltaje se aplica a través del dispositivo de tal manera que el campo eléctrico en la unión aumenta. Cuanto más alto es el campo eléctrico en la región de agotamiento, la probabilidad de que los portadores puedan difundirse desde un lado de la unión a la otra, disminuye, de ahí la corriente de difusión disminuye también. En polarización directa, la corriente de arrastre está limitada por el número de portadores minoritarios a cada lado de la unión p-n y es relativamente invariante al aumento del campo eléctrico. Un pequeño aumento en la corriente de arrastre es experimentado debido al pequeño aumento en la anchura de la región de agotamiento, pero esto es esencialmente un efecto de segundo orden en las células solares de silicio. En muchas células solares de película delgada, donde la región de agotamiento es alrededor de la mitad del grosor de la célula solar, el cambio en el agotamiento del ancho de la región con el voltaje tiene un gran impacto en el funcionamiento de la célula.