Электронно дырочный переход это

Полупроводники — основы

Полупроводники — это вещества, проводимость которых является промежуточной между проводимостью металлов и диэлектриков.

Типичный полупроводник — кремний (Si), содержащий 14 электронов. 4 из 14 электронов находятся в незаполненной внешней оболочке и слабо связаны (валентные электроны).

Атомы кремния могут объединять валентные электроны с другими атомами кремния с помощью ковалентных связей:

1) Атомы кремния в кристаллической структуре
2) Ковалентные связи. Ковалентная связь — это наиболее распространенный тип химической связи, возникающий при взаимодействии атомов элементов с одинаковыми или близкими значениями электроотрицательности.

При нулевой температуре в кристалле кремния нет свободных носителей заряда. При повышении температуры некоторые валентные связи разрываются, и электроны, ранее участвовавшие в создании валентных связей, расщепляются и становятся электронами проводимости. А в присутствии электрического поля они движутся против поля и образуют электрический ток.

Когда электрон попадает в кристаллическую решетку, образуется незаполненная межатомная связь — дырка. Этот процесс создает дополнительную возможность для переноса заряда: дырка может быть заполнена электроном, прошедшим под действием тепловых колебаний соседнего атома. В результате на то место, где будет засыпана дыра, восстановится нормальное соединение, а в другом месте появится еще одна дыра. Последовательное заполнение свободной связи электронами одновременно сопровождается движением дырки в направлении, противоположном движению электронов.

На основании вышеизложенного видно, что в полупроводнике есть два типа носителей заряда: электроны и дырки. Полная проводимость полупроводника равна сумме электронной проводимости n-типа и дырочной проводимости p-типа.

↑ Вольтамперная характеристика электронно-дырочного перехода

Вольт-амперная характеристика p-n перехода представляет собой кривую зависимости прямого тока от прямого напряжения и обратного тока от обратного напряжения. Обычно он строится по общим координатным осям (рисунок 3.6). Из приведенной характеристики видно, что в pn-переходах из кремния (Si) прямой и обратный токи меньше, чем в pn-переходах из германия (Ge) при тех же напряжениях. Это связано с тем, что кремний имеет большую ширину запрещенной зоны и для перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости им необходимо передать большую дополнительную энергию.

Кривая вольт-амперной характеристики зависит от температуры. С его увеличением количество свободных электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне увеличивается, что приводит к увеличению прямого и обратного токов при одинаковых значениях напряжения на pn переходе (рис. 3.7).

Диод — обозначение

На рисунке ниже схематично показан диод. Символ выглядит как стрелка, указывающая из стороны p в сторону n. Сторона p называется анодом, а сторона n — катодом.

Создание p-n перехода

Что произойдет, если объединить два куска кремния с примесями p-типа и n-типа вместе? Получится pn переход. Или, как его еще называют — электронно-дырочный переход.

Этот переход является демаркационной зоной между областью p и областью n.

И особенность этого перехода в том, что этот переход состоит из ионизированных примесных атомов, которые не позволяют свободным зарядам из двух разных областей соединяться друг с другом. Его образовало такое явление, как диффузионный ток.

Этот ток возникает во время нагрева (при сварке). Носители заряда рекомбинируют друг с другом и уравновешивают равновесие. Диффузионный ток под действием тепла хаотичен и не имеет упорядоченного направления, если на него не действует внешнее напряжение.

Например, электроны из n-области начинают накапливаться около положительных примесных ионов, но поскольку с другой стороны находятся отрицательные ионы n-области, они не могут пересечь этот барьер. Аналогичная ситуация и с дырами.

Свободные электроны из n-области не могут перейти в p-область из-за барьера, создаваемого ионизированными донорными примесями. Здесь создается электрическое поле, которое действует как барьер для дырок и электронов. И по этой причине в pn переходе нет свободных векторов. Их переход просто уводит их с обеих сторон.

Кстати, еще одно название заграждения — бедный район.

В целом кристалл остается электрически нейтральным. Без этого барьера свободные перевозчики уравновешивают друг друга.

Преодоление потенциального барьера

Чтобы свободные электроны и дырки могли пересечь этот барьер, необходимо приложить внешнее напряжение, превышающее напряжение, необходимое для пересечения барьера.

Соединяем минус источника тока с областью n и плюс источника тока с областью p. Это включение называется прямым. Другая область n в устройствах называется катодом, а область p называется анодом.

Напряжение источника должно быть выше, чем необходимо для открытия pn перехода.

Допустим, потенциальный барьер составляет 0,125 Вольт. Чтобы преодолеть это, подключите источник 5 В.

Чтобы не перегружать восприятие, на диаграмме не показаны неосновные носители заряда.

А благодаря влиянию электрического поля внешнего источника свободные носители имеют достаточно энергии, чтобы пересечь этот потенциальный барьер и преодолеть его электрическое поле. Переход связан с прямой поляризацией.

Новый электрон выходит из источника, переходит в n-область, затем проходит барьер и попадает в дырку, где происходит рекомбинация. И затем этот электрон встречает дырку, которая исходит от положительного потенциала, подключенного к p-области. То есть через pn переход проходит электрический ток. Этот ток также называется диффузионным или постоянным током — когда основные носители заряда упорядоченно движутся к внешнему источнику тока.

Аналогичная ситуация и с дырами. Положительный потенциал внешнего источника, подключенного к p-области, заберет электрон, и на его месте появится дырка. Дыра, в свою очередь, переместится к преграде и за пределы отрицательного потенциала источника.

Ток, создаваемый отверстиями, называется током отверстия. Следовательно, ток, создаваемый электронами, является электронным.

А на этой схеме спай показан без преграды, но с обратным током.

В свою очередь, неосновные носители заряда действуют в обратном направлении, что приводит к появлению дополнительного сопротивления в pn-переходе.

Обратный ток может составлять несколько микроампер.

Обратное включение

Поменяем полярность внешнего источника. Минус для области p и наибольший для области n. Что будет с шлагбаумом и током зарядки?

Барьер будет увеличиваться из-за того, что основные носители заряда будут притягиваться к внешнему источнику. Увеличится сопротивление потенциального барьера и напряжение его открытия.

Однако, несмотря на все это, обратный ток будет течь через pn переход.

Этот обратный ток очень мал, потому что он генерируется неосновными носителями заряда. Его еще называют дрейфовым током.

Пробой

Существует ограничение на величину обратного напряжения, которое диод выдержит до того, как он сломается. Если вы продолжите увеличивать обратное напряжение, диод в конечном итоге достигнет напряжения пробоя.

Как только напряжение пробоя достигается, большое количество неосновных носителей генерируется в обедненной области из-за лавинного эффекта, и диод начинает сильно проводить в противоположном направлении.

Лавинный эффект

Как мы знаем, в диоде с обратным смещением присутствует небольшой несущий ток. Когда обратное напряжение увеличивается, это заставляет неосновные носители двигаться быстрее.

Эти высокоскоростные неосновные носители сталкиваются с атомами кристалла и уничтожают валентные электроны, производя больше свободных электронов. Эти новые неосновные носители присоединяются к существующим неосновным носителям и сталкиваются с другими атомами, что устраняет больше электронов.

Один свободный электрон перемещает один валентный электрон, в результате чего образуются два свободных электрона. Эти два свободных электрона затем устраняют еще два электрона, в результате чего образуются четыре свободных электрона. Следовательно, количество электронов увеличивается экспоненциально: 1, 2, 4, 8…

Это постоянное столкновение с атомами генерирует большое количество неосновных носителей, которые создают значительный обратный ток в диоде. И этот процесс продолжается до тех пор, пока обратный ток не станет достаточно большим, чтобы разрушить диод.

Резисторы с нулевым сопротивлением

↑ Емкостные свойства электронно-дырочного перехода (ЭДП)

Тонкий слой, образованный на границе раздела двух полупроводников с разными типами электропроводности, содержит ионизированные неподвижные примесные атомы и почти не содержит подвижных носителей заряда: электронов и дырок. Следовательно, такой слой обладает свойствами диэлектрика, и ЭДД можно рассматривать как плоский конденсатор, якоря которого являются нейтральными областями пера. Если к областям пера приложить обратное напряжение, толщина pn перехода и расстояние между «пластинами» конденсатора увеличатся, а его емкость уменьшится.
Эта емкость pn-перехода называется зарядом или барьером, поскольку ее присутствие связано с наличием положительных и отрицательных зарядов или потенциального барьера на границе областей p и n. Барьерная емкость возникает в основном при обратных напряжениях на pn переходе.
Емкостные свойства pn перехода используются в полупроводниковых диодах, называемых варикапами. В варикапах значение зарядной емкости изменяется за счет изменения приложенного к нему обратного напряжения.
Источник: В.И. Галкин, начинающий радиолюбитель. М., 1983.

Легирование полупроводников

Легирование — это добавление примесей для увеличения проводимости чистых полупроводников. В этом случае используются два типа примесей:

Пятивалентные примеси	Трехвалентные примеси
1) Атомы кремния. 2) Пятивалентный примесный атом (донор). 3) Ковалентные связи. 4) Свободный электрон. Когда полупроводник легирован пятивалентным, атом фосфора (P) вводит четыре своих валентных электрона в ковалентные связи с соседними атомами. Его пятый электрон слабо связан с ядром и может легко вырваться на свободу. В этом случае атом фосфора называется донором, так как он отдает свой лишний электрон. Электроны в таком полупроводнике n-типа являются основными носителями (они имеют отрицательный заряд), а дырки составляют меньшинство.	1) Атомы кремния. 2) Ковалентные связи. 3) Атом трехвалентной примеси (акцептор). 4) Отверстие. Когда полупроводник легирован трехвалентным атомом индия (In), три валентных электрона будут обнаружены между тремя соседними атомами. Это создает дыру в ковалентной связи. Наличие дырок позволяет электронам переходить от одной ковалентной связи к другой. В этом случае In является акцептором, поскольку дырки принимают электроны. Дырки в таком полупроводнике p-типа являются основными носителями (они имеют положительный заряд), а электроны — второстепенными.

Полупроводники стержневого типа имеют более высокую проводимость, чем чистые полупроводники. Электропроводность можно уменьшить или увеличить, изменив количество примесей.

↑ Образование потенциального барьера. Контактная разность потенциалов

Когда дырки покидают p-область в n-область, отрицательные ионы-акцепторы остаются в p-области, а когда электроны покидают n-область в p-область, положительные ионы-доноры остаются в n-области. Положительные и отрицательные ионы примесных атомов прочно связаны с основными атомами полупроводника (германия или кремния) и не могут двигаться. Таким образом, в области p, граничащей с областью n, создается отрицательный заряд, а в области n, граничащей с областью p, — положительный заряд. Наличие зарядов противоположного знака на границе между областями пера приводит к появлению между этими областями так называемой контактной разности потенциалов и электрического поля. Это поле называется диффузией.
он характеризуется интенсивностью Edif, направленной из области n в область p. Диффузионное поле, которое создается между p- и n-областями, оказывается тормозящим для дырок в p-области и электронов в n-области, то есть на границе между p- и n-областями создается потенциальный барьер, что предотвращает диффузию основных носителей.

Диод I-V характеристики

На рисунке ниже показана базовая схема диода, в которой диод смещен напрямую. Резистор RS обычно используется для ограничения прямого тока I F.

После подключения этой схемы, если вы измерите напряжение и ток диода для прямого и обратного смещения и начертите график, вы получите такой график:

Этот график называется вольт-амперной (ВА) характеристикой. Это наиболее важная характеристика диода, поскольку она определяет, сколько тока проходит через диод при заданном напряжении.

Резистор является линейным устройством, потому что его ВАХ представляет собой прямую линию. Однако диод другой. Это нелинейное устройство, потому что его ВАХ не является прямой линией. Это связано с барьерным потенциалом.

В зависимости от приложенного напряжения диод будет работать в одной из трех областей: прямое смещение, обратное смещение и пробой.

Камрад, рассмотри датагорские рекомендации

Полезные и проверенные железяки, можно брать

Проверено в лаборатории редакторами или читателями.

Трансформатор с R-сердечником 30Вт 2 x 6В 9В 12В 15В 18В 24В 30В
Паяльная станция 80W SUGON T26, наконечники и ручки JBC!
Отличный прочный кейс для инструментов и мелких предметов
Хороший кабель порта дисплея, DP1.4
Конденсаторы полипропиленовые WIMA MKP2
Трансформатор 30 Вт, 12В 15В 18В 24В 28В 30В 36В
Держатель SN-390 для удобной пайки печатной платы
8-контактные розетки для вакуумных трубок, керамические

Читательское голосование

Применение p-n перехода

Так работает простой диод, состоящий из pn перехода. Проще говоря, pn переход — это классический диод. И может работать как с прямым, так и с обратным подключением. Вообще вся современная цифровая техника состоит из pn переходов.

На этом основаны транзисторы, тиристоры, микросхемы, логические вентили, процессоры и многое другое.

Контролируемый лавинообразный пробой

Что произойдет, если напряжение потенциального барьера будет превышено? Например, он равен 7 В. А на схеме источник 5 В. Если подключить источник к 8 В, то пойдет лавинный ток.

Миноритарные перевозчики возьмут с собой крупных. Частично этот процесс контролируется, если не превышается напряжение источника, превышающее то, которое может выдержать pn переход.

Электрический пробой

Если мы увеличим напряжение дальше, произойдет сбой в электросети. Эти явления широко используются на практике, например, в качестве стабилизаторов.

Никакой ток не будет протекать через цепь до тех пор, пока не появится напряжение, необходимое для размыкания обратносмещенного pn перехода.

И электрическая неисправность проверяется. Стабилитроны (так называемые диоды, работающие в этом режиме) специально сделаны с широкими pn переходами, которые длительное время работают при постоянных нагрузках.

Тепловой пробой

Но если радиокомпонент изначально не был рассчитан на электрический отказ, он быстро нагреется и произойдет термическое повреждение. Дырки и электроны получат тепловую энергию, за счет чего преграда полностью разрушится. Спай нагревается и разрывается под воздействием температуры. Это необратимый процесс.

В основном, когда оборудование «перегорает», это явление термического пробоя, то есть превышения допустимой температуры.

А во время сварки тоже может произойти термическое разрушение. Достаточно немного перегреть деталь и pn переход будет разрушен.

В результате, если вы пропустите через диод ток, превышающий его диапазон, также произойдет тепловой пробой. То же самое и с рассеиваемой мощностью.

Область обратного смещения

Между нулевым током и пробоем существует область обратного смещения.

В этой области через диод протекает небольшой обратный ток. Этот обратный ток вызывается термически генерируемыми неосновными носителями. Этот обратный ток настолько мал, что вы его даже не заметите, и считается почти нулевым.

Равновесие (нулевое смещение)

В PN-переходе без внешнего приложенного напряжения достигается состояние равновесия. Посмотрим как.

Область истощения

Полупроводник n-типа имеет больше свободных электронов, чем полупроводник p-типа. Из-за высокой концентрации электронов на стороне n они отталкиваются друг от друга.

Из-за отталкивания свободные электроны распространяются (разлетаются) во всех направлениях. Некоторые из них пересекают границу между n и p. Когда свободный электрон попадает в p-область, он притягивается к положительной дырке и рекомбинирует с ней. Когда это происходит, дырка исчезает, и свободный электрон становится валентным электроном.

Когда свободный электрон попадает в дырку на p-стороне, атом p-стороны получает дополнительный электрон. У атома, который получает дополнительный электрон, больше электронов, чем протонов, что делает его отрицательным ионом.

Точно так же каждый свободный электрон, покидающий n-сторонний атом, создает дыру в n-стороннем атоме. Атом, теряющий электрон, имеет больше протонов, чем электронов, что делает его положительным ионом.

Таким образом, каждый раз, когда электрон пересекает соединение и рекомбинирует с дыркой, он создает пару ионов. На следующем рисунке показаны эти ионы с каждой стороны перехода.

Каждая пара положительных и отрицательных ионов на стыке называется диполем. Создание диполя означает, что свободный электрон на стороне n и дырка на стороне p выводятся из обращения. По мере увеличения числа диполей область вблизи перехода обедняется основными носителями заряда. Поэтому мы называем эту область не заряженной областью истощения.

Барьерный потенциал

Каждый диполь имеет электрическое поле между положительными и отрицательными ионами. Каждый раз, когда свободный электрон пытается войти в область обеднения, это электрическое поле толкает его обратно в область n.

Напряженность электрического поля увеличивается с каждой рекомбинацией электронов и дырок в области обеднения. Таким образом, электрическое поле в конечном итоге останавливает диффузию электронов через соединение и достигается равновесие.

Электрическое поле между ионами эквивалентно разности потенциалов, называемой барьерным потенциалом. При комнатной температуре барьерный потенциал составляет примерно 0,3 В для германиевых диодов и 0,7 В для кремниевых диодов.

Прямое смещение

При прямом смещении p-тип подключается к положительной клемме источника, а n-тип подключается к отрицательной клемме источника. На рисунке ниже показан диод прямого смещения.

Если батарея подключена таким образом, дырки в p-области и свободные электроны в n-области выбрасываются в направлении перехода. Если напряжение батареи ниже барьерного потенциала (0,7 В), свободные электроны не имеют достаточно энергии, чтобы пройти через область истощения. Когда они попадают в область обеднения, ионы отталкивают их в область n. По этой причине через диод не протекает ток.

Когда напряжение батареи превышает потенциал барьера (0,7 В), свободные электроны имеют достаточно энергии, чтобы пройти через область обеднения и рекомбинировать с дырками. Таким образом, они начинают нейтрализовать зону истощения за счет уменьшения ее ширины.

Когда свободный электрон рекомбинирует с дыркой, он становится валентным электроном. Подобно валентному электрону, он продолжает двигаться влево, перемещаясь от отверстия к отверстию, пока не достигнет левого конца диода.

Когда он покидает левый конец диода, появляется новое отверстие, и процесс начинается заново. Поскольку миллиарды электронов движутся одновременно, через диод проходит постоянный ток.

↑ Обратное включение электронно-дырочного перехода

Если внешний источник напряжения переключить с плюса на область n и минуса на область p (рис. 3.5, в), внешнее напряжение будет увеличивать потенциальный барьер pn перехода. Диффузионный ток станет меньше тока дрейфа.
Результирующий ток, протекающий через pn переход, в этом случае будет определяться током дрейфа, то есть его значение и направление такие же, как и ток дрейфа. Это включение pn перехода называется обратным, а ток, протекающий через него, называется обратным током. Поскольку обратный ток формируется неосновными подвижными носителями заряда областей пера, концентрация которых очень мала по сравнению с концентрацией основных носителей, обратный ток намного ниже прямого тока и очень мало зависит от обратного напряжения (Рис. 3.5, г).
При определенном значении обратного напряжения происходит пробой pn перехода, в результате чего обратный ток резко возрастает. Неисправность может быть тепловой (кривая 1) или электрической (кривая 2). При термической деградации кристалл разрушается, и свойства pn перехода теряются. Электрическое повреждение, которое не превратилось в тепловое, является обратимым, то есть свойства pn перехода восстанавливаются при снятии обратного напряжения.

Как избавиться от обратного тока

можно ли исключить обратный ток? Для этого в переход добавляют металлические примеси, которые удаляют неосновные носители заряда при их реактивации.

Но на практике можно использовать и обратный ток.

Например, он реализует обратную связь, некоторые функции и измерения.

↑ Дрейф неосновных носителей.Образование электронно-дырочного перехода

Помимо основных в полупроводнике есть небольшая концентрация неосновных носителей: электронов в p-области и дырок в n-области. Миноритарные носители движутся в полупроводнике хаотично. Когда дырки в n-области и электроны в p-области попадают в поле рассеяния, они захватываются этим полем и выбрасываются в противоположные области. Следовательно, в дополнение к электрическому току, генерируемому диффузией основных носителей заряда через границу областей пера, через него также протекает ток, генерируемый движением неосновных носителей.
Этот ток также содержит две составляющие — электронную и дырочную — и называется током дрейфа или проводимости. Дрейфовый ток направлен из области n в область p, т. Е. В сторону диффузионного тока. Если внешний источник напряжения не подключен к областям полового члена и они не подвержены другим энергетическим воздействиям, потенциальный барьер между ручкой и областями достигает такого значения, что диффузионный ток полностью компенсируется дрейфовым током, и результирующий ток равен нуль.
Область вблизи точки контакта содержит объемные заряды, образованные отрицательными и положительными ионами примесных атомов, но в ней практически отсутствуют подвижные носители заряда — электроны и дырки. Следовательно, сопротивление этой области оказывается очень большим и называется блокирующим слоем или областью пространственного заряда и, очень часто, электронно-дырочным переходом (pn переход).

Итог

Это простейшее описание того, как работает pn-переход. Он бывает разных типов, и есть физические явления в полупроводниках, которые происходят в разных условиях.

А производство полупроводниковых радиодеталей другое. Полупроводники делятся на целые классы со своими характеристиками. А производство микропроцессоров — это отдельный вид искусства.

Проводимость кристаллической решетки с примесями

В чистом полупроводнике мало свободных электронов, и этим объясняется низкая проводимость материала.

Однако с повышением температуры электроны на валентном уровне получают больше энергии и могут быстрее покидать свои орбиты. Следовательно, с повышением температуры материал становится более проводящим.

И благодаря этому полупроводники получили свое название. Это и проводник, и диэлектрик в бутылке, меняющий свою проводимость из-за внешних условий.

Донорская примесь и n-тип

Если к кристаллической решетке кремния добавить атом с 5 валентными электронами, то в кристалле появятся свободные электроны.

Например, есть атом мышьяка (As) и атомы кремния (Si).

4 валентных электрона мышьяка образуют валентную связь с другими атомами кремния. Но один электрон будет в зоне проводимости. То есть он станет свободным электроном.

Но атом мышьяка, непреднамеренно подаривший свой электрон, станет положительным ионом. И несмотря на это, кристаллическая решетка остается стабильной.

Примесный полупроводник, содержащий свободные электроны, называется полупроводником n-типа. Основные носители заряда — свободные электроны. Мелкие — дырочки.

Примеси добавляются легированием. Он может быть металлургическим (повышение температуры, производство сплавов) или химическим (ионный и диффузный).

Если ток пропускается через такой материал, электроны, свободные от примеси, притягиваются к положительному потенциалу. И «новые» электроны приходят от отрицательного потенциала, а не старые, которые переключились на положительный потенциал.

Акцепторная примесь и p-тип

Но что, если к полупроводнику добавить атом с тремя валентными электронами, например бор (B)?

Тогда три валентных электрона атома бора создадут связь с другими атомами кремния. Однако теперь в кристалле с такой примесью электрон будет отсутствовать.

Это отсутствие электрона называется дыркой. На самом деле это положительный потенциал, но для простоты понимания его обычно называют дырой.

Это не ион и не элементарная частица. Это дефицит электронов в атомах. И этот атом, у которого на орбите будет отсутствовать электрон, будет притягивать как свободные электроны, которые оказались в кристалле, так и электроны соседних атомов.

Такая примесь в кристалле также увеличивает его проводимость. И эта примесь называется акцептором. То есть атомы примесей создают дефицит электронов в кристаллической решетке.

Поэтому такой полупроводник с акцепторной примесью называется p-типом. Его основные носители заряда — дырки. А второстепенные — электроны.

Если вы пропустите ток через такой материал, отверстие будет притягиваться к отрицательному потенциалу нового электрона, исходящего от источника тока. Но электроны, которые были в кристалле, перейдут на положительный потенциал.

Кстати, примесный атом бора оказывается отрицательно заряженным ионом, так как при прохождении тока по его орбите будет не 3 электрона, а 4, что для него избыточно.

Ток неосновных зарядов

Как упоминалось ранее, в p-типе основными носителями заряда являются дырки, а в n-типе — электроны. Меньшие СМИ, соответственно, противоположны. И даже неосновные носители заряда участвуют в прохождении тока.

Конечно, неосновных носителей гораздо меньше, чем крупных, но полностью игнорировать их не следует, особенно когда речь идет о пересечении pn.

Как еще применяется обратное включение

Все-таки обратное соединение очень похоже на конденсатор. Взгляните на схему. Это две обкладки конденсатора, посередине которых находится «диэлектрик». А у электронно-дырочного перехода есть емкость. И это тоже используется на практике. Так называется полупроводниковый конденсатор.

В радиоприемниках вместо нижних конденсаторов используются варикапы. Варикапы просты в установке. Вам просто нужно подать напряжение с обратным смещением определенного значения, чтобы увеличить или уменьшить емкость.

Конечно, это не главное применение pn перехода. Переход используется во всех цифровых технологиях по-разному.

Выпрямители, усилители, генераторы, процессоры, солнечные батареи и многое другое. А то, что было описано выше о принципе работы pn перехода, является принципом работы обычного диода.

Свойства электронно дырочного перехода

Электронный дырочный переход (pn) создается в полупроводниковой пластине путем формирования внутри нее области с различными типами проводимости. В области этого перехода наблюдается значительная разница в концентрации носителей заряда, когда в n-области больше электронов, чем в p-области. Следовательно, мы имеем:

• Диффузия электронов из n-области в p-область. В этом случае положительно заряженные стационарные ионы-доноры остаются в n-области.
• В то же время разброс дырок от области p к области n. Из-за отрицательно заряженных ионов акцепторов p-область вблизи границы приобретает отрицательный заряд.
• Эти две смежные области образуют слой пространственного заряда, в котором возникает контактное электрическое поле Ek (Epn), препятствующее дальнейшему переходу электронов и дырок.

Контактное поле поддерживает состояние равновесия при определенных условиях. При повышении температуры небольшая часть электронов и дырок проходит через контактное поле и создает диффузионный ток. В то же время за счет неосновных носителей заряда создается проводящий ток. В состоянии равновесия эти токи взаимно компенсируются.

Рассмотрим подробнее pn-переход в отсутствие внешнего поля. Вблизи переходной границы образуется двухзарядный слой. Электрическое поле, создаваемое этим слоем, направлено по нормали к границе от области n к области p. Это поле препятствует процессу диффузии основных носителей и, следовательно, создает для них потенциальный барьер:

На энергетической диаграмме энергии электронов и дырок отсчитываются от их состояния в областях n и p соответственно.

Следовательно, только те электроны, энергия которых превышает высоту потенциального барьера Фpn, могут перейти из n-области в p-область. Концентрация электронов с энергией, достаточной для преодоления барьера, определяется распределением Больцмана:

n = n0 exp (-Фpn ⁄ kT), где: n0 — концентрация электронов в n-области.

Электроны, проходящие через барьер, создают электронную составляющую тока рассеяния In. Точно так же дырки, прошедшие через барьер, образуют дырочную составляющую тока рассеяния Ip. Ip и In направлены из области p в область n, а полный ток основных носителей равен:

I0 = In + Ip ∼ exp (-Фpn ⁄ kT)

Теперь рассмотрим энергетическую диаграмму pn-перехода в отсутствие внешнего поля (предыдущее изображение). Поле у ​​границы облегчает передвижение неосновных авианосцев, которые «выкатываются» из потенциального «желоба». Таким образом, все неосновные носители, образующиеся в приконтактной области, движутся через электронно-дырочный переход и образуют постоянный ток от n к p. Интенсивность этого тока насыщения практически не зависит от разности потенциалов между n- и p-полупроводниками и определяется только количеством неосновных носителей, образующихся в области контакта за единицу времени: Is = Ins + Ips.

В состоянии равновесия устанавливается такая высота потенциального барьера, при которой полный ток равен нулю I = I0 — Is = 0.