V. P – n переход

На границе непосредственного соприкосновения электронного и дырочного полупроводников возникает электронно – дырочный переход (p-n переход), который используется для изготовления полупроводниковых приборов.

В p-области контакта концентрация дырок гораздо больше, чем в n-области, поэтому, благодаря тепловому хаотическому движению, дырки диффундируют (совершают переход) из p-области в n-область, электроны, наоборот, из n-области в p. После "ухода" дырок из p-области в ней остаются отрицательно заряженные акцепторные атомы (возбужденный, но не занятый ранее уровень теперь занят электроном). С другой стороны, после ухода электронов из n-области в ней остаются положительно заряженные донорные атомы (с ранее заполненных донорных уровней "ушли" электроны).

Уровень Ферми в случае полупроводников n - типа сдвинут от середины запрещенной зоны вверх к зоне проводимости, а у полупроводников p - типа вниз к валентной зоне.

Так как акцепторные и донорные атомы малоподвижны (по сравнению с электронами и дырками), в области контакта полупроводников p- и n-типа образуется двойной слой пространственного заряда: отрицательный слой в p-области и положительный слой в n-области. Возникающее при этом контактное электрическое поле, характеризуется напряженностью , направленной из n в p-область (рис.8).

Рис. 8.

Это поле препятствует дальнейшему переходу (диффузии) основных носителей тока между p и n областями.

При тепловом равновесии и отсутствии внешнего электрического поля ток, обусловленный диффузией основных носителей (дырок в n-область и электронов в p-область), компенсируется током неосновных носителей, возникающим под действием контактного электрического поля .

Динамическое равновесие потоков основных и неосновных носителей тока, рассмотренное выше, нарушается под действием внешнего электрического поля .

Если p-область кристалла с p-n переходом подключить к положительному полюсу источника (рис.9), а n-область к отрицательному − равновесие потоков основных и неосновных носителей тока нарушается: усиливается диффузия дырок из p- в n-область и электронов из n- в p-область.

Рис. 9.

Через p-n-переход в направлении начинает течь ток, сила которого экспоненциально возрастает (прямой ток) с увеличением приложенного напряжения под действием внешнего электрического поля напряженности , причем ↑↓ , (рис.10, а).

Рис. 10

Если p-область кристалла с p-n-переходом подключить к отрицательному полюсу источника ↑↑ , резко увеличится поток основных носителей тока, диффундирующих через p-n контакт, в то время как поток неосновных носителей практически не изменится. Сила тока неосновных носителей очень мала (обратный ток) по сравнению с силой прямого тока (рис.10,б), возникающего при такой же (по модулю) разности потенциалов. Изменение знака напряжения U, поданного на p-n-переход, может изменить величину силы тока в 10⁵ -10⁶ раза. Благодаря этому кристаллы с p-n-переходом являются вентильным устройством, используемым для выпрямления переменного тока.