Электронно-дырочный переход

Если кристаллы n- и p-типов приведены в контакт, как показано на рис. 71, то их основные носители (свободные электроны - в первом и свободные дырки - во втором) проникают в материал с противоположным типом основных носителей. При этом они могут нейтрализовать друг друга и, следовательно, попарно исчезать. В результате в приконтактной области (вблизи перехода) образуется зона, в которой остаются только фиксированные либо положительные, либо отрицательные заряды. Это так называемый обедненный слой, в котором вместо прежнего распределения зарядов, соответствующего электронейтральному состоянию каждого из кристаллов, теперь наблюдается избыток положительного заряда в материале n-типа и отрицательного заряда - в материале p-типа. Такое распределение заряда (рис. 71) в обедненном слое (в отсутствие других воздействий) препятствует дальнейшему прохождению основных носителей заряда из одного кристалла в другой. Для неосновных же носителей прохождение через место соединения облегчается, поскольку ему способствует разность потенциалов, возникающая при новом распределении заряда. Поэтому в результате тепловых флуктуации неосновные носители приобретают достаточную энергию, чтобы перейти из кристалла в кристалл (электроны из кристалла p-типа в кристалл n-типа, а дырки - наоборот). Таким образом, возникает движение зарядов через переход в двух направлениях. Представим себе, что установилось некое равновесие, при котором в каждом из направлений проходит одинаковое число неосновных носителей заряда (основные носители в этом потоке зарядов составляют лишь небольшую часть). В этом случае ток через переход практически отсутствует, так как результирующий поток электронов через него равен 0. Это означает, что при установлении равновесия между кристаллами уровни Ферми по обе стороны от перехода имеют одну и ту же величину. Тогда соответствующие энергетические зоны в кристаллах и в области перехода располагаются так, как показано на рис. 72. Из этого рисунка видно, что изменение потенциала вдоль границы энергетической зоны при переходе от кристалла к кристаллу равно E₀. Величина E₀ представляет собой также разность расстояний от уровня Ферми до границы соответствующей энергетической зоны в кристаллах. Очевидно, E₀ в этом случае меньше ширины запрещенной зоны E_з.

Рис. 71. Основные носители в области p-n-перехода. Знаками (+) и (-) изображены фиксированные заряды

Теперь мы имеем некоторое представление о приборе, который называется электронно-дырочным (n-p-) переходом, или плоскостным диодом. Особого внимания заслуживает свойство этого диода пропускать электроны со стороны p-кристалла (а дырки со стороны n-кристалла) и препятствовать прохождению этих носителей в противоположном направлении. Если такой переход подвергнуть воздействию радиации, то там образуются пары электрон - дырка. В этом случае действие перехода будет направлено на то, чтобы разделить пары носителей, что как раз и нужно для работы преобразователя энергии. Тогда нам необходимо сделать так, чтобы электроны отводились из n-области во внешнюю цепь и через нее возвращались в p-область диода, где они могут встретиться и рекомбинировать с дырками, движущимися в противоположном направлении. (Речь идет о движении дырок только в пределах полупроводника, но ни в коем случае не во внешней цепи.)

Рис. 72. Энергетические уровни в области p-n-перехода в отсутствие внешней нагрузки и освещения

Ток во внешней цепи определяется разностью потенциалов, которая зависит от распределения энергетических уровней в области перехода. Об этом мы и договорим в следующем разделе.