P - n - перехід за відсутності зовнішньої напруги

Нехай зовнішня напруга на різкому переході (рис. 1.9).

Оскільки або , як це випливає з визначення напівпровідників р- та n- типу, то різниця концентрацій носіїв однойменних зарядів викликає дифузію дірок з р-області до n-області, а електронів – з n-області до р-області. Густину загального дифузійного струму через перехід визначають за формулою

. (1.13)

У приконтактному шарі напівпровідника р-типу внаслідок залишення його дірками створюється нескомпен­сований заряд негативних іонів акцепторних домішок. У приконтактному шарі напівпровідника n-типу створюється нескомпенсований заряд позитивних іонів донорних домішок (рис. 1.9 а). Ці заряди є нерухомими, концентрація рухомих вільних носіїв біля контакту зменшується, отже, опір переходу зростає, внаслідок чого - перехід ще називають областю об’ємного заряду, або запірним шаром.

Рисунок 1.9 – - перехід у рівноважному стані

Накопичення об’ємних нерухомих зарядів у - переході приводить до виникнення в ньому дифузійного електричного поля (рис. 1.9 а), яке має напрям, протилежний напряму дифузійного пересування дірок з р-області до n-області. За межами області об’ємного заряду напівпровідникові області р- та n- типів залишаються електрично нейтральними.

Електричне поле , як це видно з рисунка 1.9, гальмує рух основних носіїв через - перехід, але викликає рух через нього неосновних носіїв (дірок з n-області, електронів з р-області). Інакше кажучи, дифузійне поле переходу приводить до виникнення дрейфового струму неосновних носіїв, протилежного дифузійному струмові основних носіїв. Явище виведення носіїв заряду з області, де вони є неосновними, через - перехід під дією прискорюючого електричного поля називають екстракцією.

З появою дифузійного поля переходу між n - та р-областями виникає різниця потенціалів, яку називають контактною. Враховуючи, що

, (1.14)

де – контактна різниця потенціалів.

Використовуючи формулу (1.10), визначимо загальну густину дрейфового струму через межу поділу р- та n-областей:

. (1.15)

У стані теплової рівноваги при (відсутності зовнішнього електричного поля або зовнішньої напруги) чим більша кількість основних носіїв залишатиме власні області, тим більша кількість неосновних носіїв буде екстрагувати через перехід під дією дифузійного поля до областей, де вони стають основними.

Отже, у відповідних областях системи двох напів­провідників створюватимуться постійні рівноважні концентрації: дірок та електронів у р-області, електронів та дірок у n-області. Дифузійний та дрейфовий струми в означеному режимі завжди компенсу­ватимуть один одного, тобто

. (1.16)

Це означає, що при зовнішній напрузі струм через - перехід не протікає.

У момент установлення режиму рівноваги контактна різниця потенціалів може бути обчислена за однією з нижче наведених формул:

, (1.17)

, (1.17¢)

де - температурний потенціал. При кімнатній температурі ( ) В.

На енергетичній діаграмі (рис. 1.9 в) вищезгадані про­цеси інтерпретуються таким чином. Оскільки потенціальна енергія електрона і потенціал зв’язані співвідношенням , то утворення нескомпенсованих об’ємних зарядів викликає опускання енергетичних рівнів n-області і підіймання енергетичних рівнів р-області. Зміщення енерге­тичних діаграм областей закінчується, коли рівні Фермі та збігаються. При цьому на межі поділу рівні Фермі областей проходять через середину забороненої зони, тобто у т. . Як відомо, ця обста­вина характерна для НП з власною електропровідні­стю, опір яких порівняно з домішковими НП більший. Отже, опір на межі між двома НП, як і опір усього збідненого на носії заряду шару - переходу, зростає порівняно з опорами нейтральних областей р- та n- кристалів.

Утворення потенціального бар’єра у переході внаслідок зміщення енергетичних діаграм областей на величину обмежує дифузійне переміщення основних носіїв.

Рівняння (1.17) та (1.17¢) дозволяють визначити рівноважні концентрації неосновних носіїв р- та n-областей:

, . (1.18)