P-n přechod má základní vlastnosti pro moderní elektroniku. Polovodič dopovaný p je relativně vodivý. Totéž platí pro n-dopovaný polovodič, ale přechod mezi nimi může být ochuzen o nosiče náboje, a tedy nevodivý, v závislosti na relativním napětí obou polovodičových oblastí. Manipulací s touto nevodivou vrstvou se p-n přechody běžně používají jako diody: obvodové prvky, které umožňují tok elektřiny v jednom směru, ale ne v druhém (opačném) směru. Předpětí je přiložení napětí na p-n přechod; předpětí v přímém směru je ve směru snadného průtoku proudu a zpětné předpětí je ve směru malého nebo žádného průtoku proudu.
Vlastnosti p-n přechodu v přímém směru a ve směru zpětného předpětí znamenají, že jej lze použít jako diodu. Dioda na přechodu p-n umožňuje tok elektrických nábojů v jednom směru, ale ne ve směru opačném; záporné náboje (elektrony) mohou snadno proudit přechodem z n na p, ale ne z p na n, a naopak to platí pro díry. Když je p-n přechod předpjatý, elektrické náboje proudí volně díky sníženému odporu p-n přechodu. Když je však p-n přechod reverzně předpjatý, bariéra přechodu (a tedy odpor) se zvětší a tok náboje je minimální.
Rovnováha (nulové předpětí)Edit
V p-n přechodu je bez vnějšího přiloženého napětí dosaženo rovnovážného stavu, kdy se na přechodu vytvoří rozdíl potenciálů. Tento rozdíl potenciálů se nazývá vestavěný potenciál V b i {\displaystyle V_{\rm {bi}}}.
.
Na přechodu jsou volné elektrony v n-typu přitahovány kladnými dírami v p-typu. Difundují do p-typu, spojí se s dírami a vzájemně se vyruší. Podobným způsobem jsou kladné díry v p-typu přitahovány volnými elektrony v n-typu. Díry difundují do typu n, spojí se s volnými elektrony a vzájemně se vyruší. Kladně nabité donorové atomy dopantu v typu n jsou součástí krystalu a nemohou se pohybovat. V n-typu se tak oblast v blízkosti přechodu stává kladně nabitou. Záporně nabité akceptorové atomy dopantu v p-typu jsou součástí krystalu a nemohou se pohybovat. V p-typu se tedy oblast v blízkosti přechodu stává záporně nabitou. Výsledkem je oblast v blízkosti přechodu, která působí tak, že odpuzuje pohyblivé náboje od přechodu prostřednictvím elektrického pole, které tyto nabité oblasti vytvářejí. Oblasti v blízkosti p-n přechodu ztrácejí svou neutralitu a většinu svých pohyblivých nosičů a vytvářejí oblast prostorového náboje neboli depleční vrstvu (viz obrázek A).
Elektrické pole vytvořené v oblasti prostorového náboje působí proti procesu difúze elektronů i děr. Existují dva souběžné jevy: proces difúze, který má tendenci vytvářet více prostorového náboje, a elektrické pole vytvořené oblastí prostorového náboje, které má tendenci působit proti difúzi. Profil koncentrace nosičů v rovnovážném stavu je znázorněn na obrázku A modrými a červenými čarami. Zobrazeny jsou také dva protichůdné jevy, které nastolují rovnováhu.
Oblast prostorového náboje je zóna s čistým nábojem zajišťovaným pevnými ionty (donory nebo akceptory), které zůstaly nepokryté difuzí majoritních nosičů. Po dosažení rovnováhy je hustota náboje aproximována zobrazenou skokovou funkcí. Vzhledem k tomu, že osa y na obrázku A je logaritmická, je tato oblast ve skutečnosti téměř úplně ochuzena o majoritní nosiče (takže hustota náboje se rovná čisté úrovni dopování) a hranice mezi oblastí prostorového náboje a neutrální oblastí je poměrně ostrá (viz obrázek B, graf Q(x)). Oblast prostorového náboje má stejnou velikost náboje na obou stranách p-n rozhraní, a proto v tomto příkladu zasahuje dále na méně dopovanou stranu (strana n na obrázcích A a B).
Předpětí vpředEdit
Při předpětí vpřed je p-typ spojen s kladným pólem a n-typ je spojen se záporným pólem.
Při takto zapojené baterii jsou díry v oblasti typu p a elektrony v oblasti typu n vytlačovány směrem ke spoji a začínají neutralizovat depleční zónu, čímž se zmenšuje její šířka. Kladný potenciál přivedený na materiál typu p odpuzuje díry, zatímco záporný potenciál přivedený na materiál typu n odpuzuje elektrony. Změna potenciálu mezi stranou p a stranou n se snižuje nebo mění znaménko. S rostoucím napětím dopředného předpětí se depleční zóna nakonec ztenčí natolik, že elektrické pole zóny nemůže působit proti pohybu nosičů náboje přes p-n přechod, což v důsledku snižuje elektrický odpor. Elektrony, které přecházejí přes p-n přechod do materiálu typu p (nebo díry, které přecházejí do materiálu typu n), difundují do blízké neutrální oblasti. Množství minoritní difuze v blízkých neutrálních oblastech určuje velikost proudu, který může protékat diodou.
Polovodičem mohou na makroskopickou délku protékat pouze majoritní nosiče (elektrony v materiálu typu n nebo díry v materiálu typu p). S ohledem na tuto skutečnost uvažujte tok elektronů přes přechod. Předpětí způsobuje sílu působící na elektrony, která je tlačí ze strany N směrem ke straně P. Při předpětí vpřed je depleční oblast dostatečně úzká na to, aby elektrony mohly přecházet přes přechod a vstřikovat se do materiálu typu p. Neproudí však materiálem typu p donekonečna, protože je pro ně energeticky výhodné rekombinovat s dírami. Průměrná délka, kterou elektron projde materiálem typu p, než rekombinuje, se nazývá difuzní délka a obvykle se pohybuje v řádu mikrometrů.
Ačkoli elektrony proniknou do materiálu typu p jen na krátkou vzdálenost, elektrický proud pokračuje nepřerušovaně, protože díry (většinové nosiče) začnou proudit opačným směrem. Celkový proud (součet proudů elektronů a děr) je v prostoru konstantní, protože jakákoli změna by způsobila hromadění náboje v čase (to je Kirchhoffův proudový zákon). Tok děr z oblasti typu p do oblasti typu n je přesně analogický toku elektronů z N do P (elektrony a díry si vymění role a znaménka všech proudů a napětí se obrátí).
Makroskopický obraz toku proudu diodou tedy zahrnuje elektrony proudící oblastí typu n směrem ke spoji, díry proudící oblastí typu p opačným směrem ke spoji a oba druhy nosičů neustále rekombinující v blízkosti spoje. Elektrony a díry se pohybují v opačných směrech, ale mají také opačné náboje, takže celkový proud je na obou stranách diody ve stejném směru, jak je požadováno.
Shockleyho diodová rovnice modeluje provozní charakteristiky p-n přechodu v přímém směru mimo lavinovou (zpětně vedenou) oblast.
Zpětné předpětíEdit
Připojení oblasti typu p k zápornému pólu baterie a oblasti typu n ke kladnému pólu odpovídá zpětnému předpětí. Je-li dioda reverzně předpjatá, je napětí na katodě relativně vyšší než na anodě. Proto protéká velmi malý proud, dokud se dioda nerozbije. Zapojení je znázorněno na sousedním obrázku.
Protože je nyní materiál typu p připojen k zápornému pólu zdroje, „díry“ v materiálu typu p jsou odtahovány od přechodu, zanechávají za sebou nabité ionty a způsobují zvětšení šířky depleční oblasti. Podobně, protože oblast typu n je připojena ke kladnému pólu, jsou elektrony odtahovány od přechodu, což má podobný účinek. Tím se zvýší napěťová bariéra způsobující vysoký odpor proti toku nosičů náboje, což umožní minimální průchod elektrického proudu p-n přechodem. Zvýšení odporu p-n přechodu má za následek, že se přechod chová jako izolant.
Síla elektrického pole v depleční zóně roste s rostoucím napětím zpětné výchylky. Jakmile intenzita elektrického pole vzroste nad kritickou úroveň, depleční zóna p-n přechodu se rozpadne a začne protékat proud, obvykle Zenerovým nebo lavinovým průrazem. Oba tyto průrazné procesy jsou nedestruktivní a vratné, pokud velikost protékajícího proudu nedosáhne úrovně, která by způsobila přehřátí polovodičového materiálu a jeho tepelné poškození.
Tento jev se s výhodou využívá v obvodech regulátorů Zenerových diod. Zenerovy diody mají nízké průrazné napětí. Standardní hodnota průrazného napětí je například 5,6 V. To znamená, že napětí na katodě nemůže být vyšší než přibližně 5,6 V než napětí na anodě (i když s proudem dochází k mírnému nárůstu), protože při vyšším napětí se dioda přeruší, a tedy vede. Tím je vlastně omezeno napětí na diodě.
Další aplikací reverzního předpětí jsou diody Varicap, kde šířka vyčerpávací zóny (řízená napětím reverzního předpětí) mění kapacitu diody.
