2.5.3. Електронно-дірковий перехід

Розглянемо фізичні процеси, які відбуваються в місці контакту двох напівпровідників різного типу провідності. Такий контакт називається електронно-дірковим переходом (n-р-перехід). На практиці він здійснюється не механічним з'єднанням, а створенням р- і n-областей у процесі термічної обробки однорідних кристалів або в процесі вирощування монокристалу. В n -області є надлишок електронів, а в р-області - надлишок дірок.

Під впливом теплового руху електрони дифундують у р-область і рекомбінують з дірками, а дірки, які перейшли в n -область, рекомбінують з електронами. Тому в n-області поблизу контакту буде збіднення електро­нів і з'явиться позитивний об'ємний заряд, а в шарі р-області поблизу контакту буде збіднення дірок і з'явиться надлишок негативних зарядів.

У збідненому шарі виникає великий опір для основних носіїв струму. Цю область біля межі n-р-переходу із зниженою концентрацією електронів та дірок, в якій опір підви­щений, називають запірним шаром. У запірному шарі виникає кон­тактна різниця потенціалів, або, як кажуть, утворюється потенціальний бар'єр для основних носіїв струму. Тому при звичайних температурах у електронів та дірок не вистачає енергії, щоб подолати цей бар'єр. Дію запірного шару можна змінювати послабленням або підсиленням зовнішнього поля .

а б

Рис. 2.12. Підключення зовнішнього джерела до n-р-перехіду: а – пряме вмикання; б – зворотнє вмикання

1. Ввімкнемо зовнішнє джерело ЕРС, як показано на рис. 2.12, а. Тепер зовнішнє електричне поле Е послаблює зустрічне поле Е₁, знижується потенціальний бар'єр і опір перехідного шару зменшується, а струм через n-р-перехід зростає. Під впливом поля Е електрони й дірки в товщі напівпровідника рухаються до n-р-переходу і товщина запірного шару зменшується. Струм зростатиме за рахунок збагачення основних носіїв струму в запірному шарі.

Напрям поля Е, в якому електричний струм проходить через запірний шар з малим опором, називається прямим, або пропускним. Пропускний струм проходить через n-р-перехід від діркового напівпровідника до електронного .

2. Змінимо тепер полярність увімкнення батареї (2.12, б). У цьому випадку Е₁ і Е матимуть однаковий напрям, потенціальний бар'єр і опір запірного шару ще більше зростуть. Електрони і дірки зміщуються в протилежні боки від n-р-переходу, і збіднюються основні носії струму, тому сила його спадає. Такий напрям поля Е називається зворотним, або запірним. Незначний зворотний струм може бути лише за рахунок неосновних носіїв струму. На рис. 2.13 зображено статичну вольт-амперну ха­рактеристику для n - р -переходу.

Рис. 2.13. Вольт-амперна характеристика n–р-переходу

Кри­вій ОА відповідає прямий струм, а кривій ОБ - малий зворотний струм. При досить високій оберненій напрузі може статись пробій n-р-переходу. При цьому сила струму в колі дуже зрос­тає і контактний шар руйнується.

Контакт двох напівпровідників з n–р-переходом має однобічну провідність і тому застосовується в електро- й радіоустановках для випрямлення змінного струму; таку систему називають діодом.