Наибольший практический интерес представляет контакт двух полупроводников с разными типами примесной проводимости. Этот контакт является основой работы полупроводниковых приборов.
Граница соприкосновения двух полупроводников, из которых один имеет электронную, а другой дырочную проводимость называется электронно-дырочным переходом (p-n переход). Так как свойства p-n перехода сильно зависят от качества контактирующих поверхностей, то при непосредственном контакте двух полупроводников получить p-n переход не удаётся. Он обычно осуществляется в одном и том же кристалле полупроводника, если в нём из соответствующих примесей созданы области различной (n и p) проводимости.
Рассмотрим процессы, протекающие в p-n переходе. Через p-n переход будет происходить диффузия носителей тока. Из p-полупроводника через контакт будут переходить дырки.Перейдя через границу раздела они будут рекомбинировать с электронами в n -области и в ней возникает нескомпенсированный уже электронами положительный заряд ионов.И наоборот, электроны диффундируют из n в p-полупроводник, рекомбинируют там с дырками и на границе раздела (в p-области) возникает отрицательный заряд, обусловленный отрицательными ионами, нескомпенсированными уже дырками. Таким образом в области p-n перехода возникает электрическое поле Е, которое направленно так, что противодействует диффузии носителей тока через p-n переход. При некотором значении поля установится равновесие, диффузия прекратится(точнее, равновесие будет динамическим).
На энергетической схеме зон равновесие будет соответствовать выравниванию уровней Ферми p и n-полупроводников и возникновению потенциального барьера в области p-n перехода.Изгибание энергетических зон связано с тем, что потенциальная энергия электрона в p-области больше, чем в n-области. Действительно, электрическое поле, возникшее в p-n переходе, препятствует переходу электронов из n в p-область. Следовательно, для перехода электрона в p-область, надо совершить работу против этого поля. Эта работа идет на увеличение потенциальной энергии.
В действительности равновесие между p и n-областями является подвижным. Это связано с тем, что в полупроводниках кроме основных носителей тока есть еще неосновные, возникающие вследствие теплового переброса электронов непосредственно из валентной зоны в зону проводимости.
В p-полупроводниках основными носителями являются дырки в валентной зоне, а неосновными являются электроны в зоне проводимости. В n-полупроводнике основными являются электроны в зоне проводимости (с донорных уровней), а неосновными-дырки в валентной зоне(возникающие при межзонном переходе электронов в зону проводимости).
Поскольку, следовательно, в полупроводнике всегда имеются и электроны и дырки, то установление равновесия будет связано с диффузией и электронов и дырок. Нарисуем кривые потенциальной энергии в области p-n перехода для электронов и дырок. Кривая Еq является обратной кривой потенциальной энергии электронов Еэ.
Основные носители (дырки в p-области, и электроны в n-области) для перехода через p-n-переход должны преодолеть потенциальный барьер.По мере диффузии, контактное поле увеличивается, увеличивается и потенциальный барьер. Число основных носителей, которые могут преодолеть этот барьер убывает. И следовательно ток iосн, обусловленный основными носителями убывает. Через p-n переход течёт также ток iно, обусловленный неосновными носителями. Этот ток конечно мал (так как число неосновных носителей невелико), но он постоянен, так как он не зависит от величины потенциального барьера (неосновным носителям не нужно преодолевать барьер, они скатываются с него). Таким образом через p-n – переход течёт диффузионный ток iосн (убывающий) и iно (постоянный). Равновесие устанавливается как раз при такой высоте потенциального барьера, при которой оба тока iосн и iно компенсируют друг друга.
Подадим теперь на кристалл внешнее напряжение.
Рассмотрим случай, когда положительный подсоединён к p-области, а отрицательный к n-области. Тогда потенциал p-области увеличится, а потенциальная энергия электрона соответственно уменьшится. Потенциал n-области – уменьшится, а потенциальная энергия электрона в n-области увеличится. Для дырок наоборот. Таким образом, высота потенциального барьера уменьшится, ток основных носителей увеличится и будет быстро нарастать с увеличением напряжения, так как высота потенциального барьера будет уменьшаться. Так как iно постоянен, то результирующий ток iосн - iно будет также возрастать. Это направление называется прямым.
Обратное напряжение (+-к n-области.,а - к р-области) приводит к повышению потенциального барьера и соответственно к уменьшению тока основных носителей Iосн. Возникающий при этом результирующий ток (называемый обратным) довольно быстро достигает насыщения и становится равным Iнеосн. Этот ток мал, и только при больших напряжениях обратный ток может стать большим, когда происходит пробой p-n-перехода.
При прямом направлении тока основные носители вносятся в область p-n-перехода, ширина этого слоя и его сопротивление уменьшается. При обратном направлении-наоборот.
Таким образом, p-n переход может быть использован для выпрямления переменного тока. Полупроводниковые устройства, служащие для этой цели называются полупроводниковыми диодами. Например,германиевые диоды при U=1В дают плотность тока в прямом направлении 100 А/см2, а в обратном – 10-6 А/см2. Они могут выдерживать обратное напряжение до 1000 В.
При электрическом пробое p-n перехода возникает лавинная ионизация атомов, возникает большое количество новых носителей тока. Вольт-амперная характеристика в режиме электрического пробоя идет практически параллельно оси тока. Это позволяет использовать полупроводниковые диоды в режиме пробоя в качестве стабилизаторов напряжения – стабилитронов. Стабилитроны выполняются из кремния и позволяют стабилизировать напряжение в пределах единиц – сотен вольт.
Мы видели, что в зоне p-n перехода при обратном напряжении практически отсутствуют носители тока, в тоже время они имеются как в n-области, так и в р-области. Таким образом, образуется как бы плоский конденсатор, где p-n переход играет роль изолятора между двумя проводящими областями. Увеличение обратного напряжения приводит к расширению зоны перехода, уменьшение – к сужению ее, и, соответственно, уменьшается или увеличивается электроемкость p-n перехода. На использовании этого явления созданы электрически управляемые параметрические диоды – варикапы, электрическая емкость которых может изменяться в достаточно широких пределах при изменении величины приложенного напряжения.