Л. — Правильно, эти дырки (которые можно рассматривать как элементарные положительные заряды) отталкиваются. В действительности же положительные ионы области и притягивают электроны области р к переходу, в результате чего имеющиеся там дырки заполняются. Вырванные таким образом электроны оставляют дырки на удаленных от перехода атомах. Но все происходит так, как если бы дырки области р ушли от р-n перехода (рис. 14).
Рис. 14. Переход р-n. Дырки области р отталкиваются от перехода, оставляя возле него отрицательные ионы акцепторной примеси. Точно так же свободные электроны области n отталкиваются от перехода, оставляя возле него положительные ионы донорной примеси. Запомните хорошенько принятые здесь четыре условных обозначения, так как они используются на следующих рисунках.
Н. — Значит, в прилегающем к переходу пространстве области р все атомы-акцепторы будут заполнены, т. е. ионизированы отрицательно. Точно так же в области n все атомы-доноры вблизи перехода потеряют по электрону, что сделает их положительными ионами. В то же время свободные носители электрических зарядов (электроны и дырки) в области р-n перехода отсутствуют, так как заряды ионов примесей оттолкнули их к краям кристалла. Все это очень любопытно; наш переход превращается в своего рода барьер между двумя областями, из которых одна с отрицательным, а другая с положительным потенциалом.
Л. — Да, ты очень хорошо рассудил: Переход представляет собой настоящий потенциальный барьер.
В этом тончайшем слое полупроводника потенциал ионизированных атомов резко переходит от положительного значения (в области n — не забудь этого!) к отрицательному (в области р). Но в общей сложности кристалл остается нейтральным, так как в целом положительные и отрицательные заряды уравновешивают друг друга. Создав в полупроводнике области типа р и типа n, мы просто вызвали перемещение подвижных зарядов в оба конца каждой области, тогда как в отсутствие р-n перехода заряды распределяются равномерно по всему кристаллу.
Н. — Все это представляется мне совершенно ясным, но какая нам польза от этого перехода с его потенциальным барьером?
Л. — Ты сразу же ее обнаружишь, если приложишь к р-n переходу напряжение.
Электроны и дырки на прогулке
Н. — Я предполагаю, что мы получим ток, образуемый свободными электронами области n и дырками области р, причем одни движутся в одну, а другие — в обратную сторону.
Л. — Возможно, ты прав, но ты слишком спешишь. Сначала необходимо рассмотреть порознь, что происходит в нашем полупроводнике с р-n переходом при одной и другой полярности приложенного напряжения. Первоначально допустим, что положительный полюс источника напряжения соединен с областью р, а отрицательный полюс — с областью n (рис. 15).
Рис. 15. Прохождение тока через р-n переход. На рисунке обозначены только носители зарядов: электроны (помечены знаком минус) и дырки (помечены знаком плюс), а доноры области n и акцепторы области р для большей ясности опущены.
Н. — Хорошо. В области n свободные электроны полупроводника будут отталкиваться в сторону перехода электронами, поступающими из источника напряжения. Они пересекут переход и заполнят дырки, которые положительный потенциал источника подогнал к этому переходу.
Л. — Чтобы быть более точными, скажем, что положительный полюс источника будет притягивать к себе электрон каждый раз, когда другой электрон преодолеет переход, перепрыгнув из области n в область р. Электрон, притянутый источником, создает дырку, которая будет заполнена электроном, расположенным ближе к переходу, на месте электрона возникает дырка и т. д, дырка будет перемещаться в сторону перехода, пока она не будет заполнена там новым электроном, пришедшим из области n.
Н. — Следовательно, я был абсолютно прав, когда сказал, что возникает ток, образуемый электронами и дырками, перемещающимися в противоположных направлениях.
Л. — Да, это правильно, когда напряжение прикладывают, как мы это сейчас сделали, в прямом направлении, т. е. присоединяют положительный полюс источника к области р, а отрицательный полюс к области n. Но если приложить напряжение в обратном направлении, то результат будет иным (рис. 16).
Рис. 16. Прилагая к р-n переходу обратное напряжение, мы лишь оттягиваем электроны и дырки от границы раздела двух областей. Таким образом, «потенциальный барьер», высота которого повышается, препятствует прохождению тока.
Н. — Почему же? Электроны отрицательного полюса источника притянут дырки области р ближе к концу кристалла полупроводника, а к другому концу кристалла положительный потенциал источника притянет свободные электроны. Вот неожиданность!.. Ведь при этом ни электроны, ни дырки не будут пересекать переход, а потенциальный барьер только увеличится, значит, никакого тока мы не получим!
Л. — Не я заставил тебя говорить это. Ты сам видел, что ток может установиться только при приложении прямого напряжения, когда положительный полюс соединяется с областью р, а отрицательный — с областью n. Но если ты поменяешь полярность, то тока не будет или же будет только чрезвычайно малый обратный ток (рис. 17).
Рис. 17. Зависимость обратного тока через р-n переход от приложенного напряжения. Внимание: кривая приведена не в линейном, а в логарифмическом масштабе.
Н. — Даже если приложить высокое напряжение?
Л. — Даже и в этом случае, но до известного предела. Если ты превысишь этот предел, то потенциальный барьер будет прорван и электроны устремятся лавиной: ток мгновенно станет большим. Это явление аналогично электрическому пробою диэлектрика, и напряжение, при котором оно происходит, называют пробивным напряжением р-n перехода. Это явление в некоторых случаях применяется в электронике, но мы не будем прибегать к его помощи. И для нас переход останется проводником в прямом направлении и практически диэлектриком в обратном направлении.
Обязательное одностороннее движение
Н. — Но тогда переход, проводящий только в одном направлении, представляет собой настоящий выпрямитель?
Л. — Да, тысячу раз да, дорогой Незнайкин. Если ты приложишь к нему переменное напряжение, то ток пойдет во время одного полупериода, когда напряжение окажется прямым, но не пойдет во время другого полупериода при обратной полярности напряжения (рис. 18)
