5.5. Електронно-дірковий перехід (p-n перехід)
Електричний перехід між двома областями напівпровідника, одна з яких має електропровідність p-типу, а інша – n-типу, називають електронно-дірковим переходом або p-n переходом. Такі переходи одержують шляхом введення в напівпровідник донорної і акцепторної домішок таким чином, щоб одна частина напівпровідника володіла електронною, а інша – дірковою електропровідністю. Створити електронно-дірковий перехід механічним з'єднанням двох напівпровідників з різними типами електропровідності неможливо. Допустимо, що n- і p-напівпровідники стикаються один з одним (рис.5.6).
Рис.5.6. Розподіл носіїв заряду в областях напівпровідника
при відсутності зовнішнього електричного поля.
Оскільки в n-напівпровіднику міститься велика кількість електронів, а в p-напівпровіднику – дірок, то між ними почнеться обмін носіями зарядів. У результаті цього в приконтактній області напівпровідника n-типу утворюється нескомпенсований позитивний заряд іонів донорної домішки, а в напівпровіднику р-типу виникає негативний заряд іонів акцепторної домішки.
Область розподілу напівпровідників n- і p-типу виявиться збідненою вільними носіями заряду й, незважаючи на малу ширину (h ≈ 10-6-10-8 м), буде володіти більшим опором, який значно перевищує опір іншої частини напівпровідників. Наявність негативного і позитивного об'ємного зарядів приводить до утворення електричного поля, що перешкоджає подальшому дифузійному потоку носіїв заряду. Якщо до p-області прикласти позитивний полюс джерела живлення, а до n-області – негативний, то зовнішнє електричне поле буде спрямоване зустрічно електричному полю, зумовленому об'ємними зарядами (рис.5.7).
Рис.5.7. Розподіл носіїв заряду в областях напівпровідника
(зовнішнє електричне поле спрямоване зустрічно дифузійному).
Основні носії заряду в p- і n- напівпровідниках, які мають найбільшу енергію, одержують можливість проникнути через збід-нений шар в області, де вони рекомбінуються. При такій полярності зовнішньої напруги електронно-дірковий перехід буде «відкритий» і через нього протікатиме прямий струм. При зміні полярності зовнішньої напруги електричне поле об'ємних зарядів і зовнішнє поле будуть збігатися за напрямком. У результаті дії сумарного електричного поля основні носії починають рухатися від переходу й перетнути перехід зможуть тільки неосновні носії (рис.5.8).
Рис.5.8. Розподіл носіїв заряду в областях напівпровідника
(зовнішнє електричне поле збігається за напрямком з дифузійним).
Вольт-амперна характеристика p-n переходу наведена на рис. 5.9. Для опису цієї залежності використовується вираз
(5.15)
де IS – струм насичення (при зворотному включенні p-n переходу IS = Ізв); U – прикладена напруга; q/k ≈ 40 В-1 при t = 20 0C.
Рис.5.9. Вольт-амперна характеристика p-n переходу.
Оскільки кількість неосновних носіїв у багато разів менше основних, то й струм, викликаний ними, буде менше, ніж струм, що з'являється при прямому включенні. При такому включенні електронно-дірковий перехід «закритий» і через нього протікає тільки малий зворотний струм неосновних носіїв заряду.