Что происходит на границе двух типов полупроводников, почему ток течёт только в одну сторону. Из этого простого принципа вырастают диоды, транзисторы и солнечные батареи.
Граница, которая всё решает
Представьте две страны, вплотную примыкающие друг к другу. В одной избыток мужчин, в другой избыток женщин. Открыли границу, и начнётся движение: одни переходят в одну сторону, другие в другую. Но движение не будет вечным. Очень скоро накопившийся на границе заряд создаст поле, которое остановит дальнейший переток. Установится равновесие, и граница превратится в барьер.
Именно это происходит при соединении двух кусков полупроводника. Один легирован фосфором (n-тип, избыток электронов), другой бором (p-тип, избыток дырок). На границе рождается p-n переход - тончайший слой, который будет управлять током с той же властью, с какой клапан управляет потоком воды в трубе. Но пустит воду только в одну сторону.
Этот принцип лежит в основе диода, транзистора, солнечной батареи и светодиода. Всё, что называется полупроводниковой электроникой, стоит на этой невидимой границе шириной в несколько десятков нанометров.
Как возникает обеднённый слой
Пока p- и n-полупроводники разделены, каждый живёт своей жизнью. В n-области электронов много, дырок почти нет. В p-области наоборот. Но как только их приводят в контакт, законы физики вступают в действие.
Начинается диффузия - то же явление, которое заставляет запах кофе распространяться по комнате или каплю чернил расплываться в стакане воды. Там, где концентрация высока, частицы стремятся туда, где её меньше. Электроны из n-области переползают в p-область. Дырки из p-области идут в n-область.
Они встречаются, аннигилируют - и в приграничном слое ничего не остаётся. Электроны из n-области нейтрализуют дырки в p-стороне. Дырки из p-стороны нейтрализуют электроны на их территории. В итоге приграничная зона опустела. Физики называют её обеднённым слоем или запирающим слоем.
Внутреннее поле: невидимый страж
Свободные носители из обеднённого слоя ушли, но ионы примесных атомов остались. Атомы фосфора в n-области, отдав электроны, стали положительными ионами. Атомы бора в p-области, приняв электроны, стали отрицательными.
Два ряда неподвижных зарядов создают электрическое поле, направленное от n к p. Это поле работает против диффузии. Оно отталкивает электроны обратно в n-область и дырки в p-область.
Диффузия двигает носителей вперёд. Поле гонит назад. В какой-то момент силы уравновешиваются, и всё останавливается. Обеднённый слой зафиксирован. Переход сформирован.
Прямое смещение: открытая дверь
Приложим внешнее напряжение: плюсом к p-области, минусом к n-области. Это прямое смещение.
Внешнее поле противоположно внутреннему полю перехода. Оно компенсирует барьер в обеднённом слое. Электроны из n-области переходят в p-область. Дырки из p-области идут в n-область. Граница растворяется.
Носители движутся, рекомбинируют, их место занимают новые из внешней цепи. Ток течёт и растёт экспоненциально с напряжением. Уже при 0,6-0,7 В для кремния ток становится значительным.
Обратное смещение: закрытый клапан
Развернём батарею: плюс к n-области, минус к p-области. Обратное смещение.
Внешнее поле складывается с внутренним. Барьер растёт. Обеднённый слой расширяется. Электронам и дыркам стало труднее преодолеть границу.
Ток практически прекращается. Проходит лишь ничтожный ток обратного насыщения от редких неосновных носителей. В большинстве случаев им пренебрегают. p-n переход - это клапан. Диод - просто переход в корпусе с выводами.
История: кристалл с трещиной
В 1939 году Рассел Ол из Bell Labs открыл p-n переход. Он изучал кремниевые детекторы для радиоприёмников. Один образец генерировал напряжение от света. В нём была трещина, где состав кремния менялся: с одной стороны донорные примеси, с другой акцепторные. Природа создала переход.
Ол записал наблюдение. Позже Шокли, Бардин и Браттейн использовали его для транзистора. Первым прибором стал полупроводниковый диод.
Диод: самый простой клапан
Диод воплощает одностороннюю проводимость. Анод (p-сторона), катод (n-сторона). При прямом напряжении ток течёт. При обратном нет.
Эта простота сделала диод основой устройств. Выпрямитель пропускает положительные полупериоды переменного тока. Четыре диода в мосту дают постоянный ток для блоков питания.
Стабилитрон при обратном пробое держит напряжение постоянным. Варикап меняет ёмкость с напряжением для настройки частоты в приёмниках.
Транзистор: два перехода
Биполярный транзистор - два перехода. Тонкий слой одного типа зажат между двумя другого. В n-p-n база (p) разделяет эмиттер и коллектор (n).
Эмиттер-база при прямом смещении, база-коллектор при обратном. Малый ток базы инжектирует электроны из эмиттера. Они проходят базу и попадают в коллектор.
Маленький ток управляет большим. Два клапана, один регулирует другой.
Солнечная батарея
Свет подаётся на переход, и рождается напряжение. Фотон выбивает электрон, создавая пару. Внутреннее поле разлучает её: электрон в n, дырка в p.
Заряды накапливаются. Внешняя цепь даёт ток. Свет превратился в электричество. Так работают панели на крышах и спутниках.
Светодиод: ток рождает свет
При прямом смещении электроны рекомбинируют с дырками, выделяя энергию. В подходящих материалах энергия уходит в фотон. Ширина запрещённой зоны определяет цвет.
Синий светодиод на нитриде галлия позволил белый свет и получил Нобелевскую премию в 2014 году.
Одна граница - бесконечное разнообразие
p-n переход универсален. Меняй геометрию, материал, режим - получай выпрямитель, стабилизатор, транзистор, солнечный элемент или лазер.
Один кристалл с трещиной стал фундаментом цифровой цивилизации. Граница в сотни нанометров управляет миром электроники.
Андрей Повный