p-n-ПЕРЕХО́Д

Рис. 1. Схема p–n-перехода: чёрные кружки – электроны; светлые кружки – дырки.

p-n-ПЕРЕХО́Д (элек­трон­но-ды­роч­ный пе­ре­ход), об­ласть по­лу­про­вод­ни­ка, в ко­то­рой име­ет ме­сто про­стран­ст­вен­ное из­ме­не­ние ти­па элек­трич. про­во­ди­мо­сти (от элек­трон­ной n к ды­роч­ной p). По­сколь­ку в р-об­лас­ти p-n-П. кон­цен­тра­ция ды­рок го­раз­до вы­ше, чем в n-об­лас­ти, дыр­ки из р-об­лас­ти стре­мят­ся диф­фун­ди­ро­вать в n-об­ласть, а элек­тро­ны – в р-об­ласть. По­сле ухо­да ды­рок из р-об­лас­ти в ней ос­та­ют­ся от­ри­ца­тель­но за­ряжен­ные ак­цеп­тор­ные ато­мы, а по­сле ухо­да элек­тро­нов в n-об­лас­ти ос­та­ют­ся по­ло­жи­тель­но за­ря­жен­ные до­нор­ные ато­мы. Т. к. ак­цеп­тор­ные и до­нор­ные ато­мы не­под­виж­ны, то в об­лас­ти p-n-П. об­ра­зу­ет­ся двой­ной слой про­стран­ст­вен­но­го за­ря­да – от­ри­ца­тель­ные за­ря­ды в р-об­лас­ти и по­ло­жи­тель­ные за­ря­ды в n-об­лас­ти (рис. 1). Воз­ни­каю­щее при этом кон­такт­ное элек­трич. по­ле про­ти­во­дей­ст­ву­ет диф­фу­зии сво­бод­ных но­си­те­лей за­ря­да че­рез p-n-П. В ус­ло­ви­ях те­п­ло­во­го рав­но­ве­сия при от­сут­ст­вии внеш­не­го элек­трич. на­пря­же­ния пол­ный ток че­рез p-n-П. ра­вен ну­лю, т. к. в p-n-П. су­ще­ст­ву­ет ди­на­мич. рав­но­ве­сие, при ко­то­ром не­боль­шой ток, соз­да­вае­мый не­ос­нов­ны­ми но­си­те­ля­ми (элек­тро­на­ми в р-об­лас­ти и дыр­ка­ми в n-об­лас­ти), те­чёт к p–n-П. и про­хо­дит че­рез не­го под дей­ст­ви­ем кон­такт­но­го по­ля; рав­ный по ве­ли­чи­не ток, соз­да­вае­мый диф­фу­зи­ей осн. но­си­те­лей (элек­тро­нов в n-об­лас­ти и ды­рок в р-об­лас­ти), про­те­ка­ет че­рез p-n-П. в об­рат­ном на­прав­ле­нии. При этом осн. но­си­те­лям за­ря­да при­хо­дит­ся пре­одо­ле­вать кон­такт­ное по­ле (по­тен­ци­аль­ный барь­ер). Раз­ность по­тен­циа­лов, воз­ни­каю­щая ме­ж­ду p- и n-об­лас­тя­ми из-за на­ли­чия кон­такт­но­го по­ля (кон­такт­ная раз­ность по­тен­циа­лов, или вы­со­та по­тен­ци­аль­но­го барь­е­ра), обыч­но со­став­ля­ет де­ся­тые до­ли воль­та.

Рис. 2. Вольт-амперная характеристика р-n-перехода: U – приложенное напряжение; I – ток через переход; Iн – ток насыщения; Uпр – напряжение пробоя.

Внеш­нее элек­трич. по­ле из­ме­ня­ет вы­со­ту по­тен­ци­аль­но­го барь­е­ра и на­ру­ша­ет рав­но­ве­сие по­то­ков но­си­те­лей за­ря­да че­рез не­го. При при­ло­же­нии по­ло­жи­тель­но­го по­тен­циа­ла к р-об­лас­ти внеш­нее по­ле на­прав­ле­но про­тив кон­такт­но­го, и по­тен­ци­аль­ный барь­ер по­ни­жа­ет­ся (пря­мое сме­ще­ние). В этом слу­чае с рос­том при­ло­жен­но­го на­пря­же­ния экс­по­нен­ци­аль­но воз­рас­та­ет чис­ло осн. но­си­те­лей за­ря­да, спо­соб­ных пре­одо­леть по­тен­циаль­ный барь­ер. По­сле про­хо­ж­де­ния p–n-П. эти но­си­те­ли ста­но­вят­ся не­ос­нов­ны­ми и их кон­цен­тра­ция по обе сто­ро­ны p-n-П. уве­ли­чи­ва­ет­ся (ин­жек­ция не­ос­нов­ных но­си­те­лей). Од­но­вре­мен­но в р- и n-об­лас­тях че­рез кон­так­ты вхо­дят рав­ные ко­ли­че­ст­ва осн. но­си­те­лей, вы­зы­ваю­щих ком­пен­са­цию за­ря­дов ин­жек­ти­ро­ван­ных но­си­те­лей. В ре­зуль­та­те воз­рас­та­ет ско­рость ре­ком­би­на­ции и по­яв­ля­ет­ся от­лич­ный от ну­ля ток че­рез p-n-П., экс­по­нен­ци­аль­но воз­рас­таю­щий с уве­ли­че­ни­ем при­ло­жен­но­го на­пря­же­ния. При­ло­же­ние по­ло­жи­тель­но­го по­тен­циа­ла к n-об­лас­ти (об­рат­ное сме­ще­ние) при­во­дит к по­вы­ше­нию по­тен­ци­аль­но­го барь­е­ра. При этом диф­фу­зия осн. но­си­те­лей че­рез p-n-П. ста­но­вит­ся пре­неб­ре­жи­мо ма­лой. В то же вре­мя по­то­ки не­ос­нов­ных но­си­те­лей не из­ме­ня­ют­ся (для них барь­ер не су­ще­ст­ву­ет). По­то­ки не­ос­нов­ных но­си­те­лей за­ря­да оп­ре­де­ля­ют­ся ско­ро­стью те­п­ло­вой ге­не­ра­ции элек­трон­но-ды­роч­ных пар, ко­то­рые диф­фун­ди­ру­ют к барь­е­ру и раз­де­ля­ют­ся его по­лем. В ре­зуль­та­те это­го че­рез p-n-П. те­чёт ток на­сы­ще­ния I_н, ко­то­рый обыч­но мал и поч­ти не за­ви­сит от при­ло­жен­но­го напря­же­ния. За­ви­си­мость то­ка I че­рез p-n-П. от при­ло­жен­но­го на­пря­же­ния U (вольт-ам­пер­ная ха­рак­те­ри­сти­ка) об­ла­да­ет рез­ко вы­ра­жен­ной не­ли­ней­но­стью (рис. 2). При из­ме­не­нии зна­ка U ток че­рез p-n-П. мо­жет ме­нять­ся в 10^5-10⁶ раз, бла­го­да­ря че­му p-n-П. яв­ля­ет­ся вен­тиль­ным уст­рой­ст­вом, при­год­ным для вы­прям­ле­ния пе­ре­мен­ных то­ков (см. По­лу­про­вод­ни­ко­вый ди­од). За­ви­си­мость со­про­тив­ле­ния p-n-П. от U по­зво­ля­ет ис­поль­зо­вать его в ка­че­ст­ве ре­гу­ли­руе­мо­го со­про­тив­ле­ния (ва­ри­сто­ра).

При по­да­че на p-n-П. дос­та­точ­но вы­со­ко­го об­рат­но­го на­пря­же­ния U=U_пр воз­ни­ка­ет элек­трич. про­бой, при ко­то­ром че­рез пе­ре­ход те­чёт боль­шой об­рат­ный ток (рис. 2). Раз­ли­ча­ют: ла­вин­ный про­бой, ко­гда на дли­не сво­бод­но­го про­бе­га в об­лас­ти объ­ём­но­го за­ря­да но­си­тель при­об­ре­та­ет энер­гию, дос­та­точ­ную для ио­ни­за­ции ато­мов кри­стал­лич. ре­шёт­ки; тун­нель­ный (зи­не­ров­ский) про­бой, воз­ни­каю­щий при тун­не­ли­ро­ва­нии но­си­те­лей сквозь барь­ер (см. Тун­нель­ный эф­фект); те­п­ло­вой про­бой, свя­зан­ный с не­дос­та­точ­но­стью те­п­ло­от­во­да от p-n-П., ра­бо­таю­ще­го в ре­жи­ме боль­ших то­ков.

От при­ло­жен­но­го на­пря­же­ния за­ви­сит не толь­ко про­во­ди­мость, но и элек­трич. ём­кость p-n-П. Дей­ст­ви­тель­но, по­вы­ше­ние по­тен­ци­аль­но­го барь­е­ра при об­рат­ном сме­ще­нии оз­на­ча­ет уве­ли­че­ние раз­но­сти по­тен­циа­лов ме­ж­ду n- и р-об­лас­тя­ми по­лу­про­вод­ни­ка и, сле­до­ва­тель­но, уве­ли­че­ние их объ­ём­ных за­ря­дов. По­сколь­ку объ­ём­ные за­ря­ды не­под­виж­ны и свя­за­ны с кри­стал­лич. ре­шёт­кой ио­на­ми до­но­ров и ак­цеп­то­ров, то уве­ли­че­ние объ­ём­но­го за­ря­да мо­жет быть обу­с­лов­ле­но толь­ко рас­ши­ре­ни­ем его об­лас­ти и, сле­до­ва­тель­но, умень­ше­ни­ем ём­ко­сти p-n-П. При пря­мом сме­ще­нии к ём­ко­сти слоя объ­ём­но­го за­ря­да (за­ряд­ной ём­ко­сти) до­бав­ля­ет­ся т. н. диф­фу­зи­он­ная ём­кость, обу­слов­лен­ная уве­ли­че­ни­ем кон­цен­тра­ции но­си­те­лей (из­ме­не­ни­ем за­ря­да) при уве­ли­че­нии на­пря­же­ния на p-n-П. За­ви­си­мость ём­ко­сти от при­ло­жен­но­го на­пря­же­ния по­зво­ля­ет ис­поль­зо­вать p-n-П. в ка­че­ст­ве ва­рак­то­ра или ва­ри­ка­па.

Мн. при­ме­не­ния p-n-П. ос­но­ва­ны на за­ви­си­мо­сти кон­такт­ной раз­но­сти по­тен­циа­лов и то­ка на­сы­ще­ния от кон­цен­тра­ции не­ос­нов­ных но­си­те­лей за­ря­да, ко­то­рая су­ще­ст­вен­но из­ме­ня­ет­ся при разл. внеш­них воз­дей­ст­ви­ях (те­п­ло­вых, ме­ха­нич., оп­ти­че­ских и др.). На этом ос­но­ва­но дей­ст­вие разл. дат­чи­ков (напр., дат­чи­ков темп-ры, дав­ле­ния, ио­ни­зи­рую­щих из­лу­че­ний). p-n-П. ис­поль­зу­ют так­же для пре­об­ра­зо­ва­ния све­то­вой энер­гии в элек­три­че­скую (см. Сол­неч­ная ба­та­рея). p-n-П. яв­ля­ют­ся ос­но­вой разл. по­лу­про­вод­ни­ко­вых дио­дов, а так­же вхо­дят в ка­че­ст­ве со­став­ных эле­мен­тов в бо­лее слож­ные по­лу­про­вод­ни­ко­вые при­бо­ры – тран­зи­сто­ры, ти­ри­сто­ры и др. Ин­жек­ция и по­сле­дую­щая ре­ком­би­на­ция не­ос­нов­ных но­си­те­лей в p-n-П. ис­поль­зу­ют­ся в све­то­из­лу­чаю­щих дио­дах и ин­жек­ци­он­ных ла­зе­рах.

p-n-П. мо­жет быть соз­дан: 1) в объ­ё­ме од­но­го и то­го же по­лу­про­вод­ни­ко­во­го ма­те­риа­ла, ле­ги­ро­ван­но­го в од­ной час­ти до­нор­ной при­ме­сью (р-об­ласть), а в дру­гой – ак­цеп­тор­ной (n-об­ласть); 2) на гра­ни­це двух разл. по­лу­про­вод­ни­ков с раз­ны­ми ти­па­ми про­во­ди­мо­сти (см. Ге­те­ро­пе­ре­ход); 3) вбли­зи кон­так­та по­лу­про­вод­ни­ка с ме­тал­лом, ес­ли ши­ри­на за­пре­щён­ной зо­ны по­лу­про­вод­ни­ка мень­ше раз­но­сти ра­бот вы­хо­да по­лу­про­вод­ни­ка и ме­тал­ла; 4) при­ло­же­ни­ем к по­верх­но­сти по­лу­про­вод­ни­ка с элек­трон­ной (ды­роч­ной) про­во­ди­мо­стью до­ста­точ­но боль­шо­го от­ри­ца­тель­но­го (по­ло­жи­тель­но­го) по­тен­циа­ла, под дей­ст­ви­ем ко­то­ро­го у по­верх­но­сти об­ра­зу­ет­ся об­ласть с ды­роч­ной (элек­трон­ной) про­во­ди­мо­стью (ин­верс­ный слой).

Ес­ли p-n-П. по­лу­ча­ют вплав­ле­ни­ем при­ме­сей в мо­но­кри­стал­лич. по­лу­про­вод­ник (напр., ак­цеп­тор­ной при­ме­си в кри­сталл с про­во­ди­мо­стью n-ти­па), то пе­ре­ход от n- к р-об­лас­ти про­ис­хо­дит скач­ком (рез­кий p-n-П.). Ес­ли ис­поль­зу­ет­ся диф­фу­зия при­ме­сей, то об­ра­зу­ет­ся плав­ный p-n-П. Плав­ные p-n-П. мож­но по­лу­чать и при вы­ра­щи­ва­нии мо­но­кри­стал­ла из рас­пла­ва, в ко­то­ром по­сте­пен­но из­ме­ня­ют со­дер­жа­ние и ха­рак­тер при­ме­сей. Соз­да­вать p-n-П. за­дан­но­го про­фи­ля по­зво­ля­ет ме­тод ион­но­го вне­дре­ния при­мес­ных ато­мов.