Энергетическая диаграмма p-n-перехода:

a) Состояние равновесия

б) Обратное напряжение

в) Прямое напряжении

Состояние равновесия

При контакте двух областей n- и p- типа из-за градиента (возрастания) концентрации носителей заряда возникает диффузия последних в области с противоположным типом электропроводности. В p-области вблизи контакта после диффузии из неё дырок остаются нескомпенсированные ионизированные акцепторы (отрицательные неподвижные заряды), а в n-области — нескомпенсированные ионизированные доноры (положительные неподвижные заряды).

Градиент (от лат. gradiens, род. падеж gradientis — шагающий) — характеристика, показывающая направление наискорейшего возрастания некоторой величины, значение которой меняется от одной точки пространства к другой.

Диффузия (лат. diffusio — распространение, растекание, рассеивание) — процесс переноса материи или энергии из области с высокой концентрацией в область с низкой концентрацией (против градиента концентрации). Самым известным примером диффузии является перемешивание газов или жидкостей (если в воду капнуть чернил, то жидкость через некоторое время станет равномерно окрашенной). Другой пример связан с твёрдым телом: если один конец стержня нагреть или электрически зарядить, распространяется тепло (или соответственно электрический ток) от горячей (заряженной) части к холодной (незаряженной) части. В случае металлического стержня тепловая диффузия развивается быстро, а ток протекает почти мгновенно.

Образуется область пространственного заряда (ОПЗ), состоящая из двух разноимённо заряженных слоёв. Между нескомпенсированными разноимёнными зарядами ионизированных примесей возникает электрическое поле, направленное от n-области к p-области и называемое диффузионным электрическим полем. Данное поле препятствует дальнейшей диффузии основных носителей через контакт — устанавливается равновесное состояние (при этом есть небольшой ток основных носителей из-за диффузии, и ток неосновных носителей под действием контактного поля, эти токи компенсируют друг друга). Между n- и p-областями при этом существует разность потенциалов, называемая контактной разностью потенциалов. Потенциал n-области положителен по отношению к потенциалу p-области. Обычно контактная разность потенциалов в данном случае составляет десятые доли вольта.

Иными словами в состоянии равновесия создаётся область объёмного заряда по обе стороны от границы p-n-переходом. При этом возникает так называемый запирающий (барьерный) слой в несколько микрометров, лишенный носителей заряда, с напряженностью Е₃ электрического поля, которая препятствует диффузии носителей заряда (рис. 1.2, а).

Приложение обратного напряжения (-u – к p-области)

Приложение отрицательного потенциала к p-области (обратное напряжение) приводит к повышению потенциального барьера. Диффузия основных носителей через переход становится пренебрежимо малой. В то же время потоки неосновных носителей не изменяются (для них барьера не существует). Неосновные носители заряда втягиваются электрическим полем в p-n-переход и проходят через него в соседнюю область (экстракция неосновных носителей). Потоки неосновных носителей определяются скоростью тепловой генерации электронно-дырочных пар. Эти пары диффундируют к барьеру и разделяются его полем, в результате чего через p-n-переход течёт ток I_s (ток насыщения), который обычно мал и почти не зависит от напряжения.

В соответствии с зонной теорией между зоной проводимости Еп и валентной зоной Ев расположена зона запрещённых значений энергии электронов Ез. Разность Еп−Ев равна ширине запрещенной зоны Ез. С ростом ширины Ез число электронно-дырочных пар и проводимость собственного полупроводника уменьшается, а удельное сопротивление возрастает.

Если к p-n-переходу приложить обратное напряжение (рис. 1.2, б), то создаваемая им напряженность Е электрического поля повышает потенциальный барьер и препятствует переходу электронов из n-области в p-область и дырок из n-области в p-область. При этом поток неосновных носителей (дырок из n-области и электронов из p-области), их экстракция, образует обратный ток 1_обр.

Приложение прямого напряжения (+U – к p-области)

При приложении прямого напряжения внешнее электрическое поле изменяет высоту барьера и нарушает равновесие потоков носителей тока через барьер. Потенциальный барьер понижается, а ОПЗ сужается. В этом случае с ростом приложенного напряжения экспоненциально возрастает число основных носителей, способных преодолеть барьер. Как только эти носители миновали p — n-переход, они становятся неосновными. Поэтому концентрация неосновных носителей по обе стороны перехода увеличивается (инжекция неосновных носителей). Одновременно в p- и n-областях через контакты входят равные количества основных носителей, вызывающих компенсацию зарядов инжектированных носителей. В результате возрастает скорость рекомбинации и появляется отличный от нуля ток через переход, который с ростом напряжения экспоненциально возрастает.

Внешний источник энергии Е, как это показано на рис. 1.2, в, создает напряженность электрического, поля противоположно направленную напряженности Е₃ объёмного заряда. В область раздела полупроводников инжектируется все большее количество дырок (являющимися неосновными носителями заряда для n-области), которые и образуют прямой ток 1_пр. При напряжении 0,3—0,5 В запирающий слой исчезнет, и ток 1_пр определяется только сопротивлением полупроводника.