При наличии внутри одного кристалла германия соседних областей из электронного и дырочного полупроводников на границе их раздела возникает
p -
n -переход (рис 3, а), образующийся следующим образом.
Как было показано выше, материал
n -типа имеет подвижные электроны и равное число фиксированных положительных ионов донорной примеси, а материал
p -типа содержит подвижные положительные заряды-дырки и неподвижные отрицательные заряды в виде ионизированных атомов акцепторов. При контакте этих двух материалов с разным типом проводимости электроны из
n -области будут переходить в
p -область, а дырки — из
p -области — в
n -область вследствие разности их концентраций в этих областях. Уход электронов из приконтактной области электронного материала и дырок из приконтактной области дырочного материала приведет к обеднению этих участков подвижными носителями и появлению нескомпенсированного положительного заряда от ионизированных атомов доноров в приконтактной области
n -типа материала и отрицательного заряда от ионизированных атомов акцепторов в приконтактной области материала
p -типа. В результате в месте контакта образуется двойной электрический слой (рис. 3,б). Это приведет к возникновению разности потенциалов в приконтактном слое такого направления (рис. 3,в), что она будет препятствовать дальнейшему переходу подвижных зарядов из одной области материала в другую, т. е. электронов из
n -типа материала в материал
p -типа и дырок из
p -материала в
n -материал, так что в состоянии равновесия ток через
p -
n -переход будет равен нулю. Так как приконтактный слой обеднен подвижными носителями,то он будет обладать повышенным электрическим сопротивлением, вследствие чего получил название запирающего слоя
p -
n -перехода.
При подаче на p - n -переход внешнего напряжения можно управлять величиной внутренней разности потенциалов в переходе и тем самым менять условия прохождения тока через него. Если минус внешнего источника приложить к материалу n -типа, а плюс — к материалу p -типа, то величина внутреннего потенциального барьера уменьшится на величину внешнего напряжения, что создаст условия для перехода электронов и дырок в p - и n -области соответственно. Через переход потечет ток.
Данное направление называется пропускным. При смене полярности внешнего напряжения (минус к p -области, а плюс к n -области) внутренний потенциальный барьер в p - n -переходе возрастет на величину напряжения внешнего источника, что приведет к прекращению потока электронов из материала n -типа в материал p -типа и обратного потока дырок. Такое направление называется запирающим.
Энергетические диаграммы зон p - n -перехода (при отсутствии и наличии внешнего напряжения) приведены на рис. 3, г — 3, е. Состояние термодинамического равновесия электронов по обе стороны p - n -перехода характеризуется энергетическим равенством уровней Ферми в обеих частях материала. Таким образом, уровень Ферми при отсутствии внешнего смещения (см. рис. 3, г) будет одинаковым для n- и p -областей. При этом границы зон в приконтактной области изогнутся на величину контактной разности потенциалов, величина которой будет равна разности в положениях уровней Ферми в изолированных электронном и дырочном полупроводниках.
Внешнее смещение в пропускном направлении уменьшает внутренний потенциальный барьер на величину напряжения смещения (рис. 3, д), что создает условия для диффузии электронов и дырок в p и n -области соответственно. При этом электроны из зоны проводимости n -материала попадают в зону проводимости (т. е. в ту же самую зону) p -материала, а дырки из валентной зоны p -материала попадают в валентную же зону p -материала. Этим обычный диод отличается от туннельного диода, где, как будет показано ниже, переход носителей через потенциальный барьер связан с изменением зоны их нахождения до и после перехода, что и обусловливает ряд отличительных свойств туннельного диода.
В случае внешнего напряжения обратной полярности внутренний потенциальный барьер увеличится (рис. 3, е), препятствуя диффузии основных носителей, и диод будет заперт.
Основными называются носители, определяющие тип проводимости полупроводника, т. е. электроны для n -материала и дырки для p -материала. Но в каждом из этих полупроводников, кроме основных носителей, имеются еще и носители противоположного знака, которые называются неосновными. Это дырки в электронном полупроводнике и электроны в дырочном полупроводнике. Причиной их появления служит тепловая генерация, создающая носители обоих знаков и наличие в каждом полупроводнике, кроме определяющей примеси (донорной для n -материала и акцепторной для p -материала), еще и небольшого количества примеси противоположного характера (из-за несовершенной очистки материала). Так как для неосновных носителей обратное смещение на переходе будет пропускным, то через переход будет течь небольшой обратный ток, величина которого определяется концентрацией неосновных носителей в полупроводнике.
