Рассмотрим систему из двух областей полупроводника р- и «-типа с надежным контактом между ними, называемую электронно-дырочным или р—n-переходом.
Контакт между областями полупроводника обычным сжатием отполированных кристаллов по ряду причин создать невозможно. Приходится применять специальные методы. Одним из них является метод сплавления. Можно, например, расположить на кристалле кремния с проводимостью я-типа кусочек индия, являющегося акцептором для кремния, и в специальной печи нагреть. На границе соприкасания материалов образуется жидкий расплав, в котором атомы индия равномерно распределятся среди атомов кремния. После охлаждения появится тонкий слой кремния с примесью индия, т. е. слой полупроводника p-типа. Этот слой является единым целым с кристаллом кремния с проводимостью п-типа и образует с ним надежный контакт. Тонкий переходный слой между областями полупроводника с различными типами проводимости представляет собой р—n-переход.
Концентрация электронов и дырок в каждой из контактирующих областей полупроводника неодинакова. В полупроводнике я-типа основными носителями заряда являются электроны, концентрация их в этой области гораздо выше, чем концентрация дырок. В свою очередь, в полупроводнике p-типа большей является концентрация дырок, чем электронов. Как правило, р—n-переход создается между областями полупроводника, где концентрация электронов в полупроводнике n-типа не равна концентрации дырок в полупроводнике p-типа. Такой р—n-переход называют несимметричным.
Поскольку по одну сторону р—n-перехода подвижными носителями заряда являются преимущественно электроны, а по другую — дырки, происходит проникновение (диффузия) электронов в полупроводник p-типа и дырок в полупроводник n-типа. Потоки этих носителей заряда являются встречными. Перемещение их обусловливает появление тока, который называют диффузионным.
Проникнув в результате диффузии через границу раздела, носители заряда в этой области становятся неосновными, причем избыточными, дополнительными по отношению к одноименным им зарядам, которые там имеются.
Перешедшие в р-область полупроводника электроны рекомбинируют с дырками, а перешедшие в область дырки нейтрализуются электронами. На границе между областями полупроводника создается тонкий пограничный слой, в котором концентрация носителей заряда является очень низкой. Его называют обедненным слоем.
После ухода из области n-типа свободных электронов в прилегающем к обедненному слою объеме полупроводника имеются положительные ионы донорной примеси. Аналогично в области p-типа располагаются отрицательные ионы акцепторной примеси. В результате по обе стороны обедненного слоя в прилегающих к нему объемах полупроводника возникают избыточные объемные заряды: положительный в полупроводнике n-типа и отрицательный в полупроводнике p-типа. Между областями полупроводника, разделенными обедненным слоем, возникает некоторая разность потенциалов, которую называют контактной разностью потенциалов. В обедненном слое появляется электрическое поле, которое препятствует дальнейшему проникновению носителей заряда из одной области в другую.
В обедненный слой могут попасть имеющиеся в небольшом количестве в p-области электроны или присутствующие в небольшом количестве в области дырки. Электрическое поле избыточных объемных зарядов, расположенных по обе стороны обедненного слоя, вызовет их перемещение. Протекающий через р — n-переход ток неосновных носителей заряда, вызванный наличием электрического поля в переходе, называют дрейфовым током р — n-перехода. Он определяется концентрацией неосновных носителей заряда в контактирующих областях полупроводника и практически не зависит от напряженности электрического поля в обедненном слое. Дрейфовый ток направлен навстречу диффузионному.
Когда внешнее напряжение к областям полупроводника не приложено, в р — n-переходе устанавливается динамическое равновесие, при котором диффузионный ток равен дрейфовому и общий ток через р—n-переход равен нулю. Одновременно области полупроводника уподобляются пластинам конденсатора, а обедненный слой между ними — диэлектрическому слою, р—n-переход подобен конденсатору, который характеризуется определенной емкостью, называемой емкостью р—n-перехода и зависящей от площади контакта и ширины обедненного слоя.
Если положительный полюс источника внешнего напряжения соединить с полупроводником n-типа, а отрицательный с полупроводником p-типа, то разность потенциалов между областями полупроводника станет больше. Электрическое поле в обедненном слое будет в большей степени препятствовать перемещению дырок из полупроводника p-типа в полупроводник n-типа и электронов в противоположном направлении. Диффузионный ток станет меньше дрейфового тока, и через переход будет протекать отличный от нуля суммарный ток. Приложенное к р —n-переходу напряжение указанной полярности и вызванный им ток называют обратными. При увеличении обратного напряжения диффузионный ток прекращается и обратный ток станет током неосновных носителей заряда. Обратное напряжение вызывает увеличение ширины обедненного слоя, что соответствует уменьшению емкости р—n-перехода.
Изменение полярности внешнего напряжения вызывает уменьшение разности потенциалов между областями полупроводника, что влечет за собой возрастание диффузионного тока. Он становится больше дрейфового. Приложенное в этом случае напряжение и вызванный им ток через переход называют прямыми. Уже при малых, порядка 0,1 В, прямых напряжениях дрейфовый ток можно не учитывать и считать прямой ток диффузионным током. Характерно, что даже небольшое, равное десяткам милливольт, увеличение прямого напряжения на р — n-переходе вызывает существенное увеличение прямого тока.
Зависимость протекающего через р — n-переход тока от приложенного к нему внешнего напряжения отражает вольт-амперная характеристика перехода. В области прямых напряжений она содержит круто восходящий участок ОА. Обратный ток мало зависит от обратного напряжения до тех пор, пока не произойдет пробой р —n-перехода.
Повышение температуры полупроводника приводит к увеличению концентрации в нем электрона и дырок, к возрастанию прямого и обратного токов. Пробой р — n-перехода и резкое возрастание обратного тока может произойти или вследствие нагрева полупроводника, или по причине увеличения скорости движения носителей заряда.
Кроме р — n-переходов, возможно появление электрических переходов между примесным и чистым полупроводниками (р — n-или n —p-переходы), между полупроводниками с высокой и низкой концентрациями основных носителей заряда одного и того же вида (р+ —р- или n —p-переходы), между полупроводником и металлом и др.
Особенности процессов в полупроводниковых материалах используются при создании различных полупроводниковых приборов. Они предназначаются для управления током или напряжением в электрических цепях через внешние воздействия: электрические или магнитные поля, нагрев, свет, деформации и т. д. Эти приборы можно разделить на беспереходные, в которых нет электрических переходов, и содержащие один или больше электрических переходов, в частности р — n-переходов.
