1. Теоретическое введение

1.1. Образование р-n-перехода

Граница соприкосновения двух полупроводников, один из которых имеет электронную, а другой дырочную проводимость, называется электронно-дырочным переходом (или р-n-переходом). Обладая односторонней проводимостью, эти переходы имеют большое практическое значение, являясь основой работы многих полупроводниковых приборов, используемых для выпрямления и преобразования переменных токов.

Р-n-переход нельзя  осуществить просто механическим соединением двух полупроводников. Обычно области различной проводимости создают либо при выращивании кристаллов, либо при соответствующей обработке кристаллов. Например, на кристалл германия n-типа накладывается индиевая «таблетка» (см. рис.1 а). Эта система нагревается примерно до 500С в вакууме или в атмосфере инертного газа; атомы индия диффундируют на некоторую глубину в германий. Затем расплав медленно охлаждают. Так как германий, содержащий индий, обладает дырочной проводимостью, то на границе закристаллизовавшегося расплава и германия n-типа образуется р-n-переход (рис.1б).

Рассмотрим физические процессы, происходящие в р-n-переходе. Пусть донорный полупроводник приводится в контакт (рис.2) с акцепторным полупроводником.

     Электроны из n-полупро-водника, где их концентрация выше, будут диффундировать вр-полупроводник, где их концентрация ниже. Диффузия же дырок происходит в обратном направлении  в направлении  р n.

Диффундируя во встречных направлениях через пограничный слой, дырки и электроны рекомбинируют друг с другом. Поэтому р-n-переход оказывается сильно обедненным носителями тока и приобретает большое сопротивление. В n-полупроводнике, из-за ухода электронов, вблизи границы остается нескомпенсированный положительный объемный заряд неподвижных ионизированных атомов. В р-полупроводнике, из-за ухода дырок, вблизи границы образуется положительный объемный заряд неподвижных ионизованных акцепторов (рис.2).

Таким образом, р-n-переход  это область, обедненная носителями тока (дырками и электронами), в которой при контакте полупроводников возникает объемный заряд (отрицательные ионы акцепторов, положительные ионы доноров,  и те и другие ионы жестко закреплены в узлах кристаллической решетки и поэтому не являются носителями тока). Возникший в месте контакта объемный заряд формирует потенциальные барьеры, препятствующие проникновению в эту область основных носителей тока  дырок из р- и электронов из n-полупроводника. Но те же потенциальные барьеры способствуют переходу неосновных носителей тока через р-n-переход. Для р-полупроводника неосновными носителями тока являются электроны, для n-полупроводника дырки, и потенциальные барьеры способствуют притоку неосновных носителей в область р-n-перехода: через р-n-переход протекают токи дырок из n- в р-область и электронов из р- в n-область. Эти токи малы, т.к. концентрации неосновных носителей малы. В равновесном состоянии токи неосновных носителей компенсируются диффузионными токами основных носителей, так что суммарный ток через р-n-переход равен нулю.

Толщина d слоя р-n-перехода в полупроводниках составляет примерно 10^6 10^7 м, а контактная разность потенциалов  десятые доли вольт. Основные носители тока способны преодолеть такую разность потенциалов лишь при температуре в несколько тысяч градусов, т.е. при обычных температурах равновесный контактный слой является запирающим (характеризуется повышенным сопротивлением).