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 (Å - доноры, Q - акцепторы) и подвижные носители заряда (· - электроны, £ - дырки). Неосновные носители заряда на рис.1 не показаны.

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

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 в p- и n-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 к n-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 областях p- и n-, 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 включение p-n-перехода называется прямым.

Если подключить внешний источник так, что p-область окажется соединённой с «минусом», а n-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.