Создадим контакт из двух полупроводников, один из которых p-типа, а другой n-типа, как это изображено на рис.14.3 Такой контакт называют электронно-дырочным переходом, или p-n переходом.
Рис. 14.3
Предположим для удобства рассмотрения, что контакт создан приведением в соприкосновение двух образцов полупроводника: p и n типа. В первый момент обе части созданного перехода будут электрически нейтральны.
В материале p-типа имеются свободные дырки, причем их концентрация равна концентрации отрицательно ионизированных примесных акцепторных атомов. В материале n-типа, справа от перехода, имеются свободные электроны. Их концентрация равна концентрации положительно заряженных примесных донорных атомов.
Кроме примесных носителей в полупроводнике всегда присутствует некоторое количество собственных носителей. Их концентрация при комнатной температуре мала по сравнению с концентрацией примесных носителей, поэтому их называют неосновными носителями.
Таким образом, в p-области концентрация дырок велика, а в n-области мала. С электронами дело обстоит наоборот, их концентрация велика в n-области, а в p-области мала. За счет различия концентраций возникают диффузионные потоки (см. Ч. 4, лекция N 6, § 3).
Дырки из p-области будут двигаться в n-область, одновременно электроны из n-области будут диффундировать в область p.
Возникшие потоки зарядов приведут к нарушению электрической нейтральности. В p-области останутся нескомпенсированные отрицательно заряженные ионы акцепторных атомов. В n-области будет избыток положительно заряженных ионов донорных атомов. В результате образуется двойной слой разноименных зарядов, которые создадут электрическое поле, направленное от n-области к p-области, как это изображено на рисунке 14.4.
Рис. 14.4
Возникшее поле будет препятствовать диффузионным потокам. Установится равновесное распределение носителей в области p-n перехода. В области двойного электрического слоя электроны и дырки, двигаясь навстречу друг другу, рекомбинируют, в результате p-n переход оказывается обедненным носителями, проводимость его становится маленькой.
Полупроводниковый диод - прибор, обладающий способностью хорошо пропускать через себя ток одного направления и плохо - противоположного направления. Полупроводниковый диод представляет собой полупроводниковую пластину с двумя областями различной проводимости: электронной (n-типа) и дырочной (p-типа). Между ними возникает p-n переход, который и обладает односторонней проводимостью.
Подадим на p-n переход разность потенциалов Δφ (см. рисунок 14.5).
На рисунке 14.5а) p-n переход, смещенный в обратном направлении (к области p подан отрицательный потенциал, к n области - положительный), ток через переход почти отсутствует. На рисунке 14.5б) p-n переход смещен в прямом направлении (к области p подан положительный потенциал, к области n - отрицательный), в этом случае ток резко растет с ростом разности потенциалов на p-n переходе. Происходит это по следующим причинам.
Рис. 14.5
Если отрицательный полюс источника напряжения соединен с p-областью, а положительный с n-областью (см. рис. 14.5а), то высота потенциального барьера для основных носителей возрастет. Иными словами - усилится электрическое поле, препятствующее движению основных носителей через p-n переход. В этом случае под действием внешнего поля через переход смогут двигаться только неосновные носители (на рис. 14.5а) в n-области изображена дырка, которая может "скатиться" с "потенциальной горки"). Следовательно, через p-n переход при обратном смещении будет течь только слабый ток неосновных носителей.
Теперь соединим положительный полюс источника с р-областью, а отрицательный - с n-областью.
В этом случае внешнее поле будет направлено в сторону, противоположную полю двойного электрического слоя. Величина потенциального барьера будет меньше, чем при отсутствии внешнего поля. При достаточно большой положительной внешней разности потенциалов барьер превратится в "горку" для основных носителей. Дырки из p-области будут под действием внешнего поля переходить в области n, а электроны из n-области - в область p. Возникает ток основных носителей через p-n переход, он будет экспоненциально возрастать с ростом положительной разности потенциалов.
Зависимость тока от напряжения (разности потенциалов) называют вольт-амперной характеристикой для полупроводникового диода. Вольт-амперная характеристика изображена на рисунке 14.6.
Рис. 14.6
При отрицательном напряжении течет очень маленький ток неосновных носителей. Если отрицательное напряжение больше чем Uпр - возникает электрический пробой, через переход течет большой отрицательный ток.