P-n переход в полупроводниках

Полупроводниковые приборы благодаря их свойствам активно используются в современных электронных устройствах, в частности, в солнечных батареях и фотоэлементах. Особую роль играет способность создавать полезный ток под воздействием солнечного света или при изменении физических характеристик окружающей среды. В микроэлектронике используют примесные полупроводники.

P-n переход в полупроводниках

Полупроводники с электронной и дырочной проводимостью

Согласно теории полупроводников, примесные полупроводники формируются путём добавления небольшого количества примесей. В зависимости от типа примеси получают полупроводник:

  • n-тип с электронной проводимостью;
  • p-тип с дырочной.

В первом типе устройств основными носителями заряда являются электроны. Их большое количество появляется путём добавления в кристаллы чистых полупроводников (германия или кремния) примеси с пятью электронами во внешней оболочке (например, фосфор или сурьму). Это повышает проводимость.

P-n переход в полупроводниках

В дырочном типе полупроводников основными носителями заряда являются положительные ионы, которые формируются добавлением трёхвалентной примеси к кристаллу чистого полупроводника, например, к кремнию добавляют бор, алюминий или барий. Три из четырёх электронов с внешней оболочки кремния образуют ковалентную связь с бором, оставляя пустое пространство (дырку). Когда температура полупроводника поднимается, электрон из ковалентной связи перескакивает в дырку, чтобы заполнить пустое пространство, оставляя дырку позади. Таким образом, главными частицами, переносящими заряд, становятся положительно заряженные дырки.

P-n переход в полупроводниках

Теория p-n перехода

В электронике наиболее широко используется сочетание в одном полупроводнике зон дырочной и электронной проводимости, образующих плоскостные и точечные p-n переходы.

P-n переход в полупроводниках

P-n переход — граница между двумя типами полупроводниковых кристаллов, соединённых в одном полупроводниковом приборе.

Такие переходы являются элементарными «строительными блоками» большинства полупроводниковых устройств:

  • диодов;
  • транзисторов;
  • солнечных батарей;
  • светодиодов;
  • интегральных микросхем.

Когда разные типы полупроводниковых кристаллов контактируют, свободные электроны из полупроводника n-типа мигрируют в него за счёт диффузии и вступают во взаимодействие с дырками (их суммарный заряд становится равен нулю). Но часть электронов не компенсируется положительным зарядом, образуя отрицательно заряженный слой на границе p-области.

Очевидно, что этот слой вызовет движение свободных электронов в n-области, которые будут отталкиваться под действием кулоновских сил и оставлять на своих местах положительный заряд. На границе n-области появится слой, заряженный положительно.

P-n переход в полупроводниках

Эти два слоя будут вести себя как потенциальный барьер (запирающий слой), который называют p-n переходом.

Если p-n переход поместить во внешнее электрической поле (подключить источник тока), то поле будет влиять на сопротивление потенциального барьера:

  1. Направление вектора напряжённости внешнего электрического поля совпадает с направлением поля запирающего слоя, то основные носители заряда не движутся. За счёт движения неосновных носителей существует слабый ток. Это включение полупроводника называют обратным или запертым состоянием.
  2. Направление внешнего поля имеет противоположное направление полю p-n области, то существует ток основных носителей заряда. Говорят, что устройство находится в прямом проводящем состоянии.

Можно сделать вывод, что устройство с p-n переходом пропускает ток только в одном направлении.