2.2. Фізичні процеси, що відбуваються в р-п-переході
Розглянемо фізичні процеси, що відбуваються в р-п-переході (рис. 31.2).
Електрони з п-напівпровідника,
де їх концентрація вище, будуть дифундувати
в р-напівпровідник,
де їх концентрація нижче. Дифузія ж
дірок відбувається у зворотному напрямі
– у напрямі р
п.
В п-напівпровіднику
через вихід електронів поблизу межі
залишається некомпенсований позитивний
об'ємний заряд нерухомих іонізованих
донорних атомів. В р-напівпровіднику
через вихід дірок поблизу межі утворюється
негативний об'ємний заряд нерухомих
іонізованих акцепторів (рис. 31.2). Ці
об'ємні заряди утворюють поблизу границі
подвійний електричний шар, поле якого,
направлене від п-області
до р-області,
перешкоджає подальшому переходу
електронів у напрямі п
р і
дірок у напрямі р
п . Якщо
концентрації донорів і акцепторів в
напівпровідниках п-
і р-типу однакові, то
товщина шарів, в яких локалізуються
нерухомі заряди, однакова.
Рис. 31.2
Провідність p-n-переходу
Товщина шару p-n-переходу в напівпровідниках складає приблизно 10-6 – 10-7 м, а контактна різниця потенціалів – десяті частки вольт. Носії струму здатні подолати таку різницю потенціалів лише за температури в декілька тисяч градусів, тобто за звичайних температур рівноважний контактний шар є замикаючим (характеризується підвищеним опором).
Опір замикаючого шару можна змінити з допомогою зовнішньою електричного поля. Якщо прикладене до p-n-переходу зовнішнє електричне поле направлено від n-напівпровідника до р-напівпровідника (мал. а), тобто співпадає з полем контактного шару, то воно викликає рух електронів в n-напівпровіднику і дірок в p-напівпровіднику від межі p-n-переходу в протилежні сторони. В результаті замикаючий шар розшириться і його опір зросте.
Рис. 31.3
Напрям зовнішнього поля, що розширює замикаючий шар, називається замикаючим (зворотним). В цьому напрямі електричний струм через p-n-перехід практично не проходить. Струм в замикаючому шарі в замикаючому напрямі утворюється лише за рахунок неосновних носіїв струму (електронів в р-напівпровіднику і дірок в n-напівпровіднику).
Якщо прикладене до p-n-переходу зовнішнє електричне поле направлено протилежно полю контактного шару (рис. 31.3,б), то воно викликає рух електронів в n-напівпровіднику і дірок в р-напівпровіднику до границі p-n-переходу назустріч один одному. В цій області вони рекомбінують, товщина контактного шару і його опір зменшуються. Отже, в цьому напрямі електричний струм проходить крізь p-n-перехід в напрямі від р-напівпровідника до n-напівпровідника; цей напрям називається пропускним (прямим).
Таким чином, p-n-перехід має односторонню (вентильну) провідність.
2.3. Напівпровідникові діоди
Напівпровідниковий діод – це напівпровідниковий пристрій, що містить один p-n-перехід.
Точковий напівпровідниковий діод
Приклад: точковий германієвий діод (рис. 31.4). Тонка вольфрамова проволока 1 притискається до n-германію 2 вістрям, покритим алюмінієм. Якщо через діод в прямому напрямі пропустити короткочасний імпульс струму, то при цьому різко підвищується дифузія А1 в Ge і утворюється шар германію, збагаченого алюмінієм і такого, що має р-провідність. На границі цього шару утворюється p-n-перехід, який має високий коефіцієнт випрямляння.
Завдяки малій місткості контактного шару точкові діоди застосовуються як детектори (випрямлячі) високочастотних коливань аж до сантиметрового діапазону довжин хвиль.
Рис. 31.4 Рис. 31.5