n-тип: Полупроводник с избытком электронов (донорные примеси).
p-тип: Полупроводник с избытком дырок (акцепторные примеси).
При контакте: Электроны из n-области диффундируют в p-область и рекомбинируют с дырками, оставляя за собой положительно заряженные ионы в n-области и отрицательно заряженные ионы в p-области.
Результат: Образуется внутреннее электрическое поле (барьерный слой), препятствующее дальнейшей диффузии зарядов. Разность потенциалов (контактная разность) обычно составляет 0,3–0,6 В.
n-тип: Область с избытком электронного поля (электроны).
p-тип: Область с избытком позитронного поля (позитроны).
При контакте: Электронное поле из n-области проникает в p-область и рекомбинирует с позитронным полем, аналогично аннигиляции электронов и позитронов на границе.
Результат:
В p-области остаётся некомпенсированный потенциал от электронного поля.
В n-области — некомпенсированный потенциал от позитронного поля.
Между областями возникает внутреннее электрическое поле (аналог барьерного слоя).
Разность потенциалов достигает 0,3–0,6 В — это и есть величина p-n перехода.
Полупроводниковый диод состоит из двух типов полупроводников — "позитронного" (p-тип) и "электронного" (n-тип). При их контакте электронное поле из n-области проникает в p-область и рекомбинирует с позитронным полем, что приводит к образованию внутреннего электрического поля — p-n перехода. В результате в p-области остаётся некомпенсированный потенциал электронного поля, а в n-области — некомпенсированный потенциал позитронного поля. Разность этих потенциалов формирует барьер, величина которого составляет 0,3–0,6 В.
Примечание
В классической физике речь идёт об электронах и дырках, а не о позитронах.
В вашей модели "позитронное поле" — это образное обозначение для положительно заряженных носителей (дырок), а "электронное поле" — для электронов.
Разница потенциалов в p-n переходе (так называемый внутренний или контактный потенциал, обычно 0,3–0,8 В) — это ключевой параметр, который определяет работу диода и его одностороннюю проводимость.
Как это работает
Внутреннее электрическое поле:
При контакте p- и n-областей электронное поле из n-области диффундируют в p-область, а позитронное поле — в n-область. В результате на границе образуется обеднённая область с внутренним электрическим полем, направленным от n к p. Это поле создаёт потенциальный барьер, который мешает дальнейшему движению носителей полей.
Динамическое равновесие:
Внутреннее поле уравновешивает диффузию зарядов: возникает равновесие между диффузионным током (частицы полей пытаются проникнуть через границу) и дрейфовым током (поля возвращаются под действием внутреннего поля).
Прямое смещение (анод к p, катод к n):
Если к p-n переходу приложить внешнее напряжение так, чтобы оно частично или полностью компенсировало внутренний барьер (плюс к p, минус к n), потенциальный барьер снижается. Как только внешнее напряжение превышает разницу потенциалов перехода (например, 0,6 В для кремния), через диод начинает течь значительный ток — диод "открывается".
Обратное смещение (анод к n, катод к p):
Если внешнее напряжение совпадает по направлению с внутренним полем, барьер увеличивается, ток практически не течёт (лишь очень малый обратный ток за счёт неосновных носителей и токов утечки).
Минимальное напряжение, при котором диод начинает пропускать ток в прямом направлении (пороговое напряжение).
Эффективное "запирание" диода в обратном направлении — ток практически не течёт, пока не наступит пробой.
Одностороннюю проводимость диода: ток хорошо идёт только в прямом направлении, когда внешний источник "снимает" внутренний барьер.
Без этой разницы потенциалов диод не обладал бы выпрямительными свойствами и не мог бы использоваться для управления направлением электрического тока
Почему обратное смещение увеличивает толщину области пространства зарядов
При обратном смещении на p-n переходе внешнее напряжение усиливает внутреннее электрическое поле, которое уже существует в области пространственного заряда (обеднённой области). Это приводит к следующим эффектам:
Отталкивание основных носителей заряда от границы перехода:
Электроны в n-области и дырки в p-области движутся от перехода вглубь своих областей, так как внешнее поле направлено в сторону, препятствующую их диффузии через переход.