P-n-переход

 

Полупроводники с примесной проводимостью нашли широкое применение в современной электронике.

В качестве примера рассмотрим, как действует полупроводниковый диод или выпрямитель переменного электрического тока. Основным элементом полупроводникового диода является так называемый p-n-переход. Он представляет собой тонкий слой между двумя областями одного и того же кристалла, отличающимися типом примесной проводимости (см. рис. 91.1, где слева от слоя находится область с проводимостью p-типа, а справа — n-типа).

В результате теплового движения свободные электроны из n-области частично проникают в p-область, а свободные дырки — из p-области в n-область. В результате возникает слабый диффузионный электрический ток I_д, текущий через p-n-переход слева направо (рис. 91.1). Электроны и дырки. попавшие в результате диффузии в «чужие» области, аннигилируют (взаимоуничтожаются) со свободными носителями тока противоположного знака. Другими словами, при встрече электрона с дыркой электрон, заполняя дырку, переходит из зоны проводимости в валентную зону — свободный электрон, так же как и свободная дырка, исчезает.

Рис. 91.1

 

За счет диффузного ухода части носителей тока как в n-, так и p-области возникают нескомпенсированные ионные заряды из донорных и акцепторных атомов. В n-области нескомпенсированный заряд положителен, а в p-области — отрицателен. Поэтому вблизи p-n-перехода образуется двойной электрический слой, называемый запирающим слоем. Он создает внутри перехода электрическое поле , направленное из n-области в p-область (рис. 91.1). Это поле затрудняет диффузию свободных электронов и дырок и приводит к уменьшению диффузионного тока.

Под действием тепловых флуктуаций во всем объеме кристалла время от времени рождается электрон-дырка собственного проводника (без учета примесных уровней). Появившиеся свободные электроны в p-области и свободные дырки в n-области создают слабый флуктуационный электрический ток I_ф, текущий через p-n-переход справа налево (рис. 91.1), причем I_ф = I_д.

Приложим к кристаллу с p-n-переходом внешнюю разность потенциалов. В случае, изображенном на рис. 91.2, внешнее электрическое поле будет оттягивать электроны из n-области и дырки из p-области от p-n-перехода. В этом случае единственно возможным будет только флуктуационный ток I_ф. Но он очень мал, потому что из-за тепловых флуктуаций пары электрон-дырка рождаются редко и в среднем далеко от p-n-перехода. Поэтому они обычно аннигилируются, не успев до него дойти. Следовательно, в этом случае ток через p-n-переход будет ничтожно мал.

В случае, изображенном на рис. 91.3, внешнее электрическое поле будет подгонять свободные электроны в n-области и свободные дырки в p-области к p-n-переходу. В результате резко возрастает диффузионный ток I_д.

 

 

Рис. 91.2 Рис. 91.3

 

Мы видим, что практически у p-n-перехода есть только односторонняя проводимость. Поэтому он и может использоваться для выпрямления переменного тока. На рис. 91.4 показан график силы тока, текущего через полупроводниковый диод, в том случае если приложенное напряжение изменяется по гармоническому закону.

 

Рис. 91.4