Область на границе двух полупроводников с различными типами проводимости называется электронно-дырочным или p – n-переходом. На практике p – n-переход получают введением в примесный полупроводник дополнительной легирующей примеси. Например, у полупроводника p-типа вводится донорная примесь. При соприкосновении двух полупроводников в пограничном слое происходит рекомбинация электронов и дырок. Свободные электроны из зоны полупроводников n-типа занимают свободные уровни в валентной зоне полупроводника p-типа. В результате вблизи границы двух полупроводников образуется запирающий слой, лишенный подвижных носителей заряда и поэтому обладающий высоким электрическим сопротивлением.
Кроме того, в n-области в приграничном слое образуется положительный объемный заряд, который создан положительными заряженными атомами донорной примеси (так как электроны ушли в полупроводники р-типа), а в p-области образуется отрицательный объемный заряд, который создан отрицательными заряженными атомами акцепторной примеси (так как дырки были заполнены электронами из полупроводников n-типа).
Между образовавшимися объемными зарядами возникает контактная разность потенциалов:
Uк= φn– φp.
На рисунке 21 показано распределение потенциала вдоль оси х, перпендикулярной границе раздела двух полупроводников, за нулевой потенциал принят условно потенциал граничного слоя.
Возникшая разность потенциалов Uк создает в запирающем слое электрическое поле, препятствующее дальнейшему переходу электронам из n-области в p-область и дырок из p-области в n-область, т. е. возникает потенциальный барьер.
В то же время электроны из полупроводника p-типа могут свободно двигаться в полупроводник n-типа так же, как дырки из полупроводника n-типа могут двигаться в полупроводник p-типа, т. е. контактная разность потенциалов препятствует движению основных носителей заряда и не препятствует движению неосновных носителей заряда. При движении через p – n-переход неосновных носителей заряда возникает дрейфовый ток Iдр. Движение небольшого количества основных носителей приводит к появлению диффузионного тока Iдиф. Рассмотрим ситуацию при отсутствии внешнего напряжения.
Рисунок 21 – Распределение потенциала
вдоль оси х, перпендикулярной границе
раздела, при отсутствии внешнего
источника напряжения
Пусть теперь источник внешнего напряжения подключен положительным полюсом к полупроводнику p-типа и отрицательным полюсом к полупроводнику n-типа. Такое напряжение, у которого полярность совпадает с полярностью основных носителей, называется прямым (рисунок 22).
В этом случае внешнее электрическое поле направлено навстречу полю контактной разности потенциалов. В результате высота потенциального барьера понижается, возрастает Iдиф, который называют прямым током, сопротивление p – n-перехода резко снижается, уменьшается также ширина запирающего слоя. Когда d = 0, то потенциальный барьер в p – n-переходе исчезает и сопротивление p – n-перехода определяется только сопротивлением полупроводника.
Пусть источник внешнего напряжения подключен положительным полюсом к n-области, а отрицательным полюсом – к p-области. Такое включение называется обратным.
Поле, создаваемое обратным напряжением Uобр, складывается с полем контактной разности потенциалов. Высота потенциального барьера увеличивается (рисунок 23), а также расширяется толщина запирающего слоя, так как с увеличением Uобр основные носители заряда будут удаляться от p – n-перехода.
x
Uк + Uобр
Eобр
Eк
n
p
–
iобр
iобр
Uобр
–
+
+
– φ
+ φ
Uк –Uпр
x
Eпр
Eк
+
–
–
–
–
–
+
+
+
+
iпр
iпр
n
p
Рисунок 22 – Распределение потенциала при прямом включении источника
Рисунок 23 – Распределение потенциала
при обратном включении источника
При этом сопротивление p – n-перехода увеличивается, ток через p – n-переход становится очень малым. Такой p – n-переход обладает электрической емкостью, которая зависит от его площади, ширины, диэлектрической проницаемости запирающего слоя и называется барьерной емкостью.
C
При увеличении Uобр ширина p – n-перехода возрастает С уменьшается (рисунок 24).
Пусть теперь источник внешнего напряжения подключен положительным полюсом к полупроводнику p-типа и отрицательным полюсом к полупроводнику n-типа. Такое напряжение, у которого полярность совпадает с полярностью основных носителей, называется прямым (рисунок 22).
