В каждом примесном полупроводнике есть два вида носителей: основные и неосновные, причем основных намного больше, чем неосновных. Обычно основные носители обозначаются: n_n и p_p, а неосновные имеют противоположный индекс основному обозначению, т. е. n_p и p_n.

n_n >> p_n и p_p >> n_p.

Если привести в соприкосновение (на расстояние порядка атомных) два полупроводника с разным типом проводимости, то в результате градиента концентрации на границе их начнется направленное движение основных носителей заряда (рис. 3.6,а). Плотность тока диффузии при этом

I _Д = q ∙ D ∙ N ,                                      (3.13)

где D – коэффициент диффузии; N – градиент концентрации носителей заряда; q – заряд электрона.

Электроны, которых много в n-области, будут переходить в р-область. Как только приграничный слой электронов перейдет в соседнюю область, нарушится электронейтральность n- и р- областей у границы. Электронная область зарядится положительно, а дырочная – отрицательно. Между ними появится электрическое приграничное диффузионное поле Е_Д, направленное от (+) к (–) (рис. 3.6,а). Это поле создает потенциальный барьер для дальнейшего перехода электронов в р-область, а дырок в n-область. При этом возникает область пространственного заряда (Δ), лишенная носителей, т. к. электроны присоединяются к акцепторам, образуя отрицательные ионы, а доноры, лишенные электронов, превращаются в положительные ионы. И те и другие закреплены в кристаллической решетке, поэтому свободные носители отсутствуют. Область пространственного заряда невелика, всего несколько микрон, но сопротивление её очень большое (т. к. нет свободных носителей, способных переносить заряд), порядка 10⁴...10⁵ Ом.

Р-n переход обладает униполярной проводимостью. Если приложить внешнее электрическое поле так, что у р-области будет знак (–), а у n-области знак (+), то такое поле по направлению совпадет с полем на границе р-n перехода, значит создаваемый им барьер для основных носителей заряда будет увеличиваться, а область объемного заряда расширяться (рис. 3.6,б). Через р-n переход смогут переходить только неосновные носители заряда т.к. потенциальный барьер для них отсутствует и даже наоборот, способствует их прохождению. При такой полярности через р-n переход будет проходить ток, обусловленный неосновными носителями заряда, а их очень мало. Сопротивление р-n перехода при этом велико, а ток очень мал – это показано на вольтамперной характеристике (левая нижняя сторона – третий квадрант) (рис. 3.7).

Если полярность внешнего поля изменить (рис. 3.6, в), приложить (+) к р-области, а (–) к n-области, то внешнее поле будет направлено встречно с направлением потенциального барьера Е_Д; он будет уничтожаться и через р-n переход будет протекать большой ток, обусловленный основными носителями заряда обеих областей. Область объемного заряда заполнится свободными носителями, сопротивление р-n перехода будет мало (рис. 3.7) – правая верхняя ветвь вольтамперной характеристики р-n перехода (первый квадрант).

Рис. 3.6. р-n переход

Рис. 3.7. Вольтамперная характеристика p-n перехода

Электронно-дырочные (р-n) переходы используются для изготовления множества активных приборов и устройств: диодов, триодов тиристоров, фотоэлементов и др.

Для изготовления р-n переходов используют обычно монокристаллические материалы атомарных (элементарных) полупроводников – кремний, германий, селен, а также полупроводниковых соединений – арсенид галлия, фосфид галлия и др. Чем шире запрещенная зона полупроводника, тем до более высоких температур может работать прибор, изготовленный на его основе. Тем более высокой является предельная рабочая температура прибора, изготовленного на его основе.

Вопросы для самоконтроля

1. В каких приборах и для каких целей используется р-n переход?

2. Как направлено диффузионное поле на границе р и n областей р-n перехода?

3. Нарисуйте вольтамперную характеристику р-n перехода.