1. Постановка задачи

1.1. Проводимость полупроводников

К полупроводникам относятся вещества с удельным сопротивлением от 10^-6до 10⁺⁸ Омм. Полупроводниками являются элементыIVгруппы периодической системы элементов (Ge,Si), соединения типаA^IVB^IV(SiC),A^IIIB^V(GaAs),A^II B^VI(ZnS,CdSe) и некоторые другие. Энергетические диаграммы полупроводников (т.е. структура энергетических уровней валентных электронов) представляют собой совокупность разрешённых значений энергий, разделённых запрещённой зоной (см. теоретическое введение). Ширина запрещённой зоны полупроводников не превышает 3 эВ. В таких материалах, как кремний (ширина запрещённой зоны 1,1 эВ), число собственных носителей заряда (электронов и дырок) при комнатной температуре мало. При введении примесей в такой полупроводник проводимость его, в основном, будет определяться концентрацией примесных атомов.

Основными носителями заряда в полупроводниках n-типа являются электроны, в полупроводникахp-типа – дырки. Кроме того, в полупроводникахn-типа содержится небольшое число дырок – неосновных носителей, а в полупроводникахp-типа – неосновными носителями являются электроны.

1.2. Электронно-дырочный переход

На рис.1 условно показан полупроводниковый кристалл, одна часть которого легирована акцепторный примесью (p-область), а другая донорной (n-область). На рис.1 обозначены неподвижные ионы примесей (- доноры,- акцепторы) и подвижные носители заряда (- электроны,- дырки). Неосновные носители заряда на рис.1 не показаны.

Так как p- иn-области созданы в одном кристалле, то на границе раздела возникают большие градиенты концентраций электронов и дырок, под действий которых электроны будут диффундировать изn- вp-область, а дырки – изp-области вn.

а) в отсутствие внешнего поля
б) прямое включение
в) обратное включение
Рис.1. Распределение носителей заряда в p-n-переходе	Рис.2. Энергетические зоны p-n-перехода

После ухода основных носителей в пограничных областях полупроводника остаются электрически нескомпенсированнные ионы примесей: отрицательно заряженные акцепторы в дырочном полупроводнике, т.е. создаются области объёмного заряда, толщины которых обозначены и. Наличие этих неподвижных зарядов создаёт электрическое поле, называемое диффузионным, которое препятствует дальнейшему переходу носителей. Диффузионное поле приводит к изгибу энергетических зон полупроводника (рис.2а). Уровень Ферми устанавливается (при отсутствии внешнего поля) на одинаковой высоте вp- иn-областях. Для носителей возникает потенциальный барьер, высота которого равна(- заряд электрона,- контактная разность потенциалов).

Рассмотрим, как изменится распределение зарядов в переходе, если к нему приложить внешнее электрическое поле. Пусть к p-области присоединён положительный полюс источника питания, а кn-области – отрицательный. Такое внешнее поле оказывается направленным противоположно диффузионному полю (рис.2б). Высота потенциального барьера уменьшается на величину(- напряжение), она станет равной. При этом основные носители в областяхp- иn-, имеющие наибольшую энергию, получают возможность проникать через запирающий барьер в области, где являются неосновными и рекомбинируют. Такое направленное движение носителей заряда является электрическим током, т.е.p-n-переход при данной полярности внешнего напряжения будет «открыт», и через него потечёт «прямой ток». Такое включениеp-n-перехода называется прямым.

Если подключить внешний источник так, что p-область окажется соединённой с «минусом», аn-область с «плюсом», то внешнее поле будет направлено так же, как и диффузионное (рис.1в). Высота потенциального барьера увеличивается, она станет равной. Через барьер смогут пройти только неосновные носители. Так как количество неосновных носителей значительно меньше, чем основных, ток через переход в этом случае будет мал по сравнению с тем, который получился при прямом включении. Это включение называется «обратным». При обратном включении переход «заперт» и через него течёт только малый ток неосновных носителей.