1.1.2 Утворення переходу.

Розглянемо схематично утворення переходу при зіткненні двох напівпровідників з різними типами провідності (рис. 1.2).До дотику в обох напівпровідниках електрони, дірки й нерухливі іони були розподілені рівномірно (рис.1.2 а,б).

При дотику напівпровідників у граничному шарі відбувається рекомбінація (з'єднання) електронів і дірок.

Вільні електрони із зони напівпровідника n-типу займають вільні рівні у валентній зоні напівпровідника р-типа. У результаті поблизу границі двох напівпровідникових областей утвориться шар, що не містить носіїв, що рухаються, зарядів і тому має високий електричний опір, - так званий запірний шар (рис. 1.2,в). Товщина запірного шару, як правило, не перевищує кілька міліметрів.

Розширенню запірного шару перешкоджають нерухливі іони донорних і акцепторних домішок, які утворять на границі напівпровідника подвійний електричний шар.

Цей шар має контактну різницю потенціалів (потенційний бар'єр) , на границі напівпровідників. Різниця потенціалів, що з'явилася, створюючи в запірному шарі електричне поле, перешкоджаючи переходу електронів з напівпровідника -типу в напівпровідник -типу, так і переходу дірок у напівпровідника -типу. У той же час електрони можуть вільно рухатися з напівпровідника -типу в напівпровідника -типу, так само, як і дірки з напівпровідника -типу в напівпровідник -типу.

- електрони; - дірки

а) негативні б) позитивні в) -перехід іони іони

Рисунок 1.2 - Утворення переходу

Таким чином, контактна різниця потенціалів перешкоджає руху основних носіїв заряду. Однак при русі через перехід не основних носіїв відбувається зниження контактної різниці потенціалів , що дозволяє деякій частині основних носіїв, які мають досить енергії, щоб перебороти потенційний бар'єр, обумовлений контактною різницею потенціалів . З'являється дифузійний струм , що спрямований назустріч дрейфовому струму , тобто з'являється динамічна рівність, при якому .

До основних носіїв заряду належать ті заряди, яких більше в напівпровіднику. У напівпровідниках р-типу -дірки, n-типу — електрони. А ті заряди, яких менше, називають неосновними.

Якщо до переходу прикласти зовнішню напругу, що утворить у запірному шарі електричне поле напруженістю , напрямок якого збігається з напрямком поля нерухливих іонів напруженістю , то це приведе тільки до розширення запірного шару, тому що відводить від контактної зони й позитивні, і негативні носії заряду (дірки й електрони). При цьому опір переходу велике, струм через нього маленький - він обумовлений рухом неосновних носіїв заряду. У цьому випадку струм називають зворотним, а перехід закритим. При протилежній полярності джерела напруги зовнішнє електричне поле спрямоване назустріч полю подвійного електричного шару, товщина запірного шару зменшується й при напрузі 0,3-0,5 В. Запірний опір зникає. Опір переходу різко знижується й з'являється порівняно великий струм. Струм при цьому називається прямим, а перехід відкритим.

На рис.1.3 показані вольтамперні характеристики (ВАХ) відкритого й закритого переходів. Як видно ці характеристики є нелінійними. На ділянці 1 і прямий струм малий. На ділянці 2 , запірний шар відсутній, струм утвориться рухом неосновних носіїв заряду.

Рисунок 1. 3 - Пряме й зворотне включення переходу

Вигин вольтамперної характеристики на початку координат обумовлений різними масштабами струмів і напруг при прямому й зворотному напрямках напруги, прикладеного до переходу. І, нарешті, на ділянці 4 відбувається пробій переходу, і зворотний струм швидко зростає. Це пов'язане з тим, що при русі через перехід під дією електричного поля не основні носії заряду одержують енергію, достатню для ударної іонізації атомів напівпровідника. У переході починається лавиноподібне розмноження носіїв заряду - електронів і дірок, що приводить до різкого збільшення зворотного струму через перехід при майже незмінній зворотній напрузі. Цей вид електричного пробою називається лавинним. Звичайно він розвивається в порівняно широких переходах, які утворюються в слабко легованих напівпровідниках.