Подавляющее большинство современных полупроводниковых приборов функционируют благодаря тем явлениям, которые происходят на самих границах материалов, имеющих различные типы электропроводности.
Полупроводники бывают двух типов – n и p . Отличительной особенностью полупроводниковых материалов n -типа является то, в них в качестве носителей электрического заряда выступают отрицательно заряженные электроны . В полупроводниковых материалах p -типа эту же роль играют так называемые дырки , которые заряжены положительно. Они появляются после того, как от атома отрывается электрон , и именно поэтому и образуются положительный заряд.
Для изготовления полупроводниковых материалов n -типа и p -типа используются монокристаллы кремния. Их отличительной особенностью является чрезвычайно высокая степень химической чистоты. Существенно изменить электрофизические свойства этого материала можно, внося в него совсем незначительные, на первый взгляд, примеси.
Символ « n », используемый при обозначении полупроводников, происходит от слова «negative » («отрицательный »). Главными носителями заряда в полупроводниковых материалах n -типа являются электроны . Для того чтобы их получить, в кремний вводятся так называемые донорные примеси: мышьяк, сурьму, фосфор.
Символ « p », используемый при обозначении полупроводников, происходит от слова «positive » («положительный »). Главными носителями заряда в них являются дырки . Для того чтобы их получить, в кремний вводятся так называемые акцепторные примеси: бор, алюминий.
Число свободных электронов и число дырок в чистом кристалле полупроводника совершенно одинаково. Поэтому когда полупроводниковый прибор находится в равновесном состоянии, то электрически нейтральной является каждая из его областей.
Возьмем за исходное то, что n -область тесно соединена с p -областью. В таких случаях между ними образуется переходная зона, то есть некое пространство, которое обеднено зарядами. Его ёщё называют «запирающим слоем », где дырки и электроны , подвергаются рекомбинации. Таким образом, в месте соединения двух полупроводников, которые имеют различные типы проводимости, образуется зона, называемая p-n переходом .
В месте контакта полупроводников различных типов дырки из области p -типа частично следуют в область n -типа, а электроны, соответственно, – в обратном направлении. Поэтому полупроводник p -типа заряжается отрицательно, а n -типа – положительно. Эта диффузия, однако, длится только до тех пор, пока возникающее в зоне перехода электрическое поле не начинает ей препятствовать, в результате чего перемещение и электронов , и дырок прекращается.
В выпускаемых промышленностью полупроводниковых приборах для использования p-n перехода к нему необходимо приложить внешнее напряжение. В зависимости от того, какими будет его полярность и величина, зависит поведение перехода и проходящий непосредственно через него электрической ток. Если к p -области подключается положительный полюс источника тока, а к n -области – полюс отрицательный, то имеет место прямое включение p-n перехода . Если же полярность изменить, то возникнет ситуация, называемая обратным включением p-n перехода .
Прямое включение
Когда осуществляется прямое включение p-n перехода , то под воздействием внешнего напряжения в нем создается поле. Его направление по отношению к направлению внутреннего диффузионного электрического поля противоположно. В результате этого происходит падение напряженности результирующего поля, а запирающий слой сужается.
Вследствие такого процесса в соседнюю область переходит немалое количество основных носителей заряда. Это означает, что из области p в область n результирующий электрический ток будет протекать дырками , а в обратном направлении – электронами .
Обратное включение
Когда осуществляется обратное включение p-n перехода , то в образовавшейся цепи сила тока оказывается существенно ниже, чем при прямом включении. Дело в том, что дырки из области n будут следовать в область p , а электроны – из области p в область n . Невысокая сила тока обуславливается тем обстоятельством, что в области p мало электронов , а в области n, соответственно, – дырок .
Особое значение имеют контакты полупроводников с различными типами проводимости, так называемыми p-n-переходы. На их основе создаются полупроводниковые диоды, детекторы, термоэлементы, транзисторы.
На рисунке 41 изображена схема p-n-перехода.
На границе полупроводников p-n-типа образуется так называемый «запирающий слой», обладающий рядам замечательных свойств, которые и обеспечили широкое применение p-n-переходов в электронике.
Поскольку концентрация свободных электронов в полупроводнике n-типа очень высока, а в полупроводнике p-типа во много раз меньше, на границе происходит диффузия свободных электронов из области n в область p.
То же самое можно сказать и о дырках; они диффундируют наоборот из p в n.
Из-за этого в пограничной области (в «запирающем слое») происходит интенсивная рекомбинация электронно-дырочных пар, запирающий слой обедняется носителями тока, его сопротивление резко возрастает.
В результате диффузии по обе стороны от границы образуются объёмный положительный заряд в области n и объёмный отрицательный заряд в p-области.
Таким образом, в запирающем слое возникает электрическое поле с напряжённостью , силовые линии которого направлены от n к p, а значит, и контактная разность потенциалов 
, где d к – толщина запирающего слоя. На рисунке 37 изображён график распределения потенциала в p-n-переходе.
За нулевой потенциал принят потенциал границы p и n областей.
Следует заметить, что толщина запирающего слоя очень мала и на рис. 42 её масштаб для наглядности сильно искажён.
Величина контактного потенциала тем больше, чем больше концентрация основных носителей; при этом толщина запирающего слоя уменьшается. Например, для германия при средних значениях концентрации атомов примеси.
U к = 0,3 – 0,4 (В)
d к = 10 -6 – 10 -7 (м)
Контактное электрическое поле тормозит диффузию электронов из n в p и дырок из p в n и очень быстро в запирающем слое устанавливается динамическое равновесие между электронами и дырками, движущимися вследствие диффузии (ток диффузии) и движение их под действием контактного электрического поля в противоположную сторону (дрейфовый ток или ток проводимости).
В установившемся режиме ток диффузии равен и противоположен току проводимости, и так как в этих токах принимают участие и электроны и дырки, полный ток через запирающий слой равен нулю.
На рисунке 43 изображены графики распределения энергии свободных электронов и дырок в p-n-переходе.
Из графиков видно, что электронам из n области, чтобы попасть в p область, нужно преодолеть высокий потенциальный барьер. Следовательно, это доступно очень немногим из них, наиболее энергичным.
В тоже время электроны из p области свободно проходят в n область, загоняемые туда контактным полем (катятся в «яму»).
Но в n-области концентрация свободных электронов ничтожна и в установившемся режиме незначительное одинаковое количество электронов движется через границу в противоположных направлениях.
Аналогичные рассуждения можно привести о движении дырок через границу p-n-перехода. В результате при отсутствии внешнего электрического поля, полный ток через запирающий слой равен нулю.
К полупроводнику p-типа p-n-перехода подсоединим положительный полюс источника тока, а к полупроводнику n-типа – отрицательный, как это показано на рисунке 44.
Тогда электрическое поле в этой конструкции, направленное от полупроводника p-типа к полупроводнику n-типа, способствует направленному движению дырок и электронов через запирающий слой, что приводит к обогащению запирающего слоя основными носителями тока и, следовательно, к уменьшению его сопротивления. Диффузионные токи существенно превосходят токи проводимости как образованные электронами, так и дырками. Через p-n-переход течёт электрический ток, благодаря направленному движению основных носителей.
При этом величина контактного потенциала (потенциальный барьер) резко падает, т.к. внешнее поле направлено против контактного. Это означает, что для создания тока достаточно подключить к p-n-переходу внешнее напряжение порядка лишь нескольких десятых долей одного вольта.
Возникающий здесь ток называется прямым током . В полупроводнике p-типа прямой ток представляет собой направленное движение дырок в направлении внешнего поля, а в полупроводнике n-типа – свободных электронов в противоположном направлении. Во внешних проводах (металлических) движутся только электроны. Они перемещаются в направлении от минуса источника и компенсируют убыль электронов, уходящих через запирающий слой в область p. А из p электроны через металл уходят к + источника. Навстречу электронам «дырки» из p-области движутся через запирающий слой в n-область.
Распределение потенциала в этом случае изображена на рисунке 45а
Пунктиром показано распределение потенциала в p-n-переходе при отсутствии внешнего электрического поля. Изменение потенциала вне запирающего слоя пренебрежимо мало.
На рис. 45б изображено распределение электронов и дырок в условиях прямого тока.
Из рисунка 40б видно, что потенциальный барьер резко упал, и основным носителям тока электронам и дыркам легко проникнуть через запирающий слой в «чужие» для них области.
Теперь подключим положительный полюс к полупроводнику n-типа, а отрицательный к p-типа. Под действием такого обратного напряжения через p-n-переход протекает так называемый обратный ток .
В этом случае напряжённости внешнего электрического и контактного полей сонаправлены, следовательно, напряжённость результирующего поля увеличивается и увеличивается потенциальный барьер, который становится практически непреодолимым для проникновения основных носителей через запирающий слой, и токи диффузии прекращаются. Внешнее поле стремится, как бы отогнать дырки и электроны друг от друга, ширина запирающего слоя и его сопротивление увеличиваются. Через запирающий слой проходит только токи проводимости, то есть токи, вызванные направленным движением неосновных носителей. Но поскольку концентрация неосновных носителей много меньше, чем основных, этот обратный ток много меньше прямого тока.
На рисунке 45в изображено распределение потенциала в p-n-переходе в случае обратного тока.
Замечательное свойство p-n-перехода заключается в его односторонней проводимости.
При прямом направлении внешнего поля от p к n – ток большой, а сопротивление маленькое.
При обратном направлении ток маленький, а сопротивление большое.
pn переход это тонкая область, которая образуется в том месте, где контактируют два полупроводника разного типа проводимости. Каждый из этих полупроводников электрически нейтрален. Основным условием является то что в одном полупроводнике основные носители заряда это электроны а в другом дырки.
При контакте таких полупроводников в результате диффузии зарядов дырка из p области попадает в n область. Она тут же рекомбенирует с одним из электронов в этой области. В результате этого в n области появляется избыточный положительный заряд. А в p области избыточный отрицательный заряд.
Таким же образом один из электронов из n области попадает в p область, где рекомбенирует с ближайшей дыркой. Следствием этого также является образование избыточных зарядов. Положительного в n области и отрицательного в p области.
В результате диффузии граничная область наполняется зарядами, которые создают электрическое поле. Оно будет направлено таким образом, что будет отталкивать дырки находящиеся в области p от границы раздела. И электроны из области n также будут отталкиваться от этой границы.
Если говорить другими словами на границе раздела двух полупроводников образуется энергетический барьер. Чтобы его преодолеть электрон из области n должен обладать энергией больше чем энергия барьера. Как и дырка из p области.
Наряду с движением основных носителей зарядов в таком переходе существует и движение неосновных носителей зарядов. Это дырки из области n и электроны из области p. Они также двигаются в противоположную область через переход. Хотя этому способствует образовавшееся поле, но ток получается, ничтожно мал. Так как количество неосновных носителей зарядов очень мало.
Если к pn переходу подключить внешнюю разность потенциалов в прямом направлении, то есть к области p подвести высокий потенциал, а к области n низкий. То внешнее поле приведет к уменьшению внутреннего. Таким образом, уменьшится энергия барьера, и основные носители заряда смогут легко перемещаться по полупроводникам. Иначе говоря, и дырки из области p и электроны из области n будут двигаться к границе раздела. Усилится процесс рекомбинации и увеличится ток основных носителей заряда.
Рисунок 1 — pn переход, смещённый в прямом направлении
Если разность потенциалов приложить в обратном направлении, то есть к области p низкий потенциал, а к области n высокий. То внешнее электрическое поле сложится с внутренним. Соответственно увеличится энергия барьера не дающего перемещаться основным носителям зарядов через переход. Другими словами электроны из области n и дырки из области p будут двигаться от перехода к внешним сторонам полупроводников. И в зоне pn перехода попросту не останется основных носителей заряда обеспечивающих ток.
Рисунок 2 — pn переход, смещённый в обратном направлении
Если обратная разность потенциалов будет чрезмерно высока, то напряжённость поля в области перехода увеличится до тех пор, пока не наступит электрический пробой. То есть электрон ускоренный полем не разрушит ковалентную связь и не выбьет другой электрон и так далее.
p-n (пэ-эн) переход — область пространства на стыке двух полупроводников p- и n-типа, в которой происходит переход от одного типа проводимости к другому, такой переход ещё называют электронно — дырочным переходом.
Всего есть два типа полупроводников это p и n типа. В n — типе основными носителями заряда являются электроны , а в p — типе основными — положительно заряженные дырки. Положительная дырка возникает после отрыва электрона от атома и на месте него образуется положительная дырка.
Что бы разобраться как работает p-n переход надо изучить его составляющие то есть полупроводник p — типа и n — типа.
Полупроводники p и n типа изготавливаются на основе монокристаллического кремния, имеющего очень высокую степень чистоты, поэтому малейшие примеси (менее 0,001%) существенным образом изменяют его электрофизические свойства.
В полупроводнике n типа основными носителями заряда являются электроны . Для получения их используютдонорные примеси, которые вводятся в кремний, — фосфор, сурьма, мышьяк.
В полупроводнике p типа основными носителями заряда являются положительно заряженные дырки . Для получения их используют акцепторные примеси — алюминий, бор.
Полупроводник n — типа (электронной проводимости)
Примесный атом фосфора обычно замещает основной атом в узлах кристаллической решетки. При этом четыре валентных электрона атома фосфора вступают в связь с четырьмя валентными электронами соседних четырех атомов кремния, образуя устойчивую оболочку из восьми электронов. Пятый валентный электрон атома фосфора оказывается слабо связанным со своим атомом и под действием внешних сил (тепловые колебания решетки, внешнее электрическое поле) легко становится свободным, создавая повышенную концентрацию свободных электронов . Кристалл приобретает электронную проводимость или проводимость n-типа . При этом атом фосфора, лишенный электрона, жестко связан с кристаллической решеткой кремния положительным зарядом, а электрон является подвижным отрицательным зарядом. При отсутствии действия внешних сил они компенсируют друг друга, т. е. в кремнии n-типа количество свободных электронов проводимости определяется количеством введенных донорных атомов примеси.
Полупроводник p — типа (дырочной проводимости)
Атом алюминия, имеющий только три валентных электрона, не может самостоятельно создать устойчивую восьмиэлектронную оболочку с соседними атомами кремния, так как для этого ему необходим еще один электрон, который он отбирает у одного из атомов кремния, находящегося поблизости. Атом кремния, лишенный электрона, имеет положительный заряд и, так как он может захватить электрон соседнего атома кремния, его можно считать подвижным положительным зарядом, не связанным с кристаллической решеткой, называемым дыркой. Атом алюминия, захвативший электрон, становится отрицательно заряженным центром, жестко связанным с кристаллической решеткой. Электропроводность такого полупроводника обусловлена движением дырок , поэтому он называется дырочным полупроводником р-типа . Концентрация дырок соответствует количеству введенных атомов акцепторной примеси.
