ШАГ 1.
1. n-p контакт двух полупроводников
2. Энергетическая диаграмма контакта

КОНТАКТ ДВУХ ПОЛУПРОВОДНИКОВ. p-n-ПЕРЕХОД

А пытливый ученик задаст вопрос: А что, если соединить два куска германия с разной проводимостью р
и n? Какая проводимость будет в итоге?
Нечто похожее исследовал в 1941 г. В.Е. Лашкарев. Посмотрим и мы, что получится?

Обозначения: Е_с - нижняя граница зоны проводимости; Е_v - верхняя граница валентной зоны; Е_F - уровень Ферми, е·φ_к - потенциальная энергия контактной разности потенциалов;
- свободный электрон;
- дырка;
- остаточный положительный заряд n-области;
- привнесённый отрицательный заряд р-области.
Особенно важно разобраться с обозначениями на рисунках.

Учимся наблюдать. У человека всего два глаза, а голова и вообще одна! А в этой работе вам придётся одновременно наблюдать и за переключателем, и за движением электронов, и за движением дырок, и за изменением уровней энергии электронных зон. Как всё успеть, когда процессы протекают так быстро? Большой кусок проглотить трудно даже если он очень вкусный. А вот, если поделить его на части... Так и поступают разумные люди. Запускаем анимацию несколько раз.
Один раз наблюдаем, как скачут уровни энергии при включении/выключении источника тока, другой раз за поведением одного из электронов, третий раз - за поведением одной из дырок и т.д. Пока не разглядим всё в деталях! А пытаться следить за всем сразу - голову сломаешь.

Шаг 1. "Контакт". На анимации справа мы видим: вот два полупроводника разного типа проводимости сближаются. Вот они соединились! Что происходит?!
Свободные электроны, которых много в n-области (слева), могут легко перейти в р-область (справа), где имеется много незапоненных дырок, перенося с собой свой отрицательный заряд. От этого р-область вблизи контакта полупроводников заряжается отрицательно, а n-область, лишившись своих электронов, заряжается положительно. Если нужно, пронаблюдайте за этим процессом посекундно несколько раз, нажав кнопку ПОВТОР в голубом поле анимации.
Во второй графе показана итоговая энергетическая диаграмма, на которой можно видеть, что уход электронов из n-области и переход их в р-область сильно изменил энергию зон обеих полупроводников (здесь для удобства обозначены только границы зон, а не сами многочисленные уровни орбиталей). Со временем образуется барьер вблизи контакта полупроводников, препятствующий дальнейшему продвижению электронов в р-область, так называемый "запирающий слой". Чтобы новые электроны смогли попасть в р-область, теперь им надо преодолеть барьер высотой равной контактной разности потенциалов φ_к, который растёт с приходом всё новых электронов. Постепенно устанавливается равновесие, которое мы видим на рисунке во второй строке таблицы.
Оказывается, орбиты электронов в атомах не такая уж статичная вещь, Они могут расщепляться под влиянием соседних атомов, образуя зоны, а зоны могут сдвигаться вверх или вниз по энергии, в зависимости от внешних и внутренних причин. Чудеса!
Надо понимать, что в n-области ещё остаётся много свободных электронов, а в р-области ещё много незаполненных дырок, которые мы пока для простоты здесь не изобразили. Плюсы и минусы на границе полупроводников являются связанными зарядами, не способными двигаться, а вовсе не теми свободными электронами и дырками, которые обеспечивали ток в полупроводнике (у нас на рисунках они имеют отличные обозначения).

Шаг 2. "Прямое включение". А как этот "бутерброд" будет проводить электрический ток? Подключим к нему источник тока, скажем, плюс к р-области, а минус к n-области! Кликните ВПЕРЁД, сделав шаг 2.
Ключ замыкается, напряжение батареи уменьшает ширину запирающего слоя, и через p-n переход начинает течь ток: свободные электроны n-области вполне могут перетекать в р-область, замыкая электрическую цепь. Дырки движутся в противоположном направлении (хотя, мы-то знаем, что на самом деле дырки двигаться не могут, а вместо них, перескакивая от дырки к дырке, движутся электроны). Параллельно с этим в небольших количествах происходят процессы генерации и рекомбинации электронов и дырок, но это не оказывает существенного влияния на процесс протекания тока.
При выключении цепи ток в ней прекращается, ширина запирающего слоя начинает расти, пока контактная разность потенциалов не станет достаточным препятствием для перехода электронов в р-область, то есть пока не наступит равновесие. Для тех, кто не успел разглядеть все детали происходящего (что очень важно), есть кнопка ПОВТОР.

Шаг 3. Обратное включение. А пытливый ученик непременно спросит, а что, если поменять местами полюса источника тока, и снова повторить наши наблюдения?
Вопрос кажется наивным, ну, что такого может измениться? Однако умный человек не столько тот, кто умеет отвечать на вопросы, сколько тот, кто умеет их правильно и вовремя сформулировать вопрос!
Зададимся и мы таким вопросом, поменяем полюса источника тока и откроем невероятное явление!
Сделайте шаг 3, нажав кнопку ВПЕРЁД. Мы увидим (в сравнении с предыдущим случаем), что у источника тока поменялись полюса. Теперь к n-области подключён плюс, а к р-области - минус. От этого ширина запирающего слоя увеличивается, уровни энергии электронов (см. нижний рисунок 2 в таблице) сдвигаются ещё выше. Теперь свободные электроны, которых много в n-области, не смогут перейти в р-область х слишком велик потенциальный барьер, и тока за счёт основных носителей примесных полупроводников становится невозможным. Запирающий слой разрывает электрическую цепь.
Параллельно с этим никуда не делась тепловая генерация/рекомбинация электронов и дырок. Для свободных электронов р-области скатиться с потенциальной горки вниз в n-область - милое дело (см. рис 2)! Запирающий слой является запирающим только для дырок р-области, но для электронов - совсем наоборот! То же самое касается поведения дырок в n-области. Они легко перетекают из n-области в р-область, что создаёт электрический ток. Нам, конечно, всё равно, как и чем создаётся ток, но есть главное отличие тока при прямом и обратном включении p-n перехода. Наблюдательный ученик уже и сам, наверное, заменил. Количество примесных носителей заряда во много раз больше тепловых. По этой причине ток в прямом направлении p-n перехода в сотни, а то и тысячи раз больше, чем в обратном. Чтобы увидеть это своими глазами, вернитесь назад на один шаг, а потом для сравнения на шаг вперёд (шаг 2 и шаг 3). Грубо говоря, p-n переход проводит ток только в одном направлении. Это и есть неожиданный результат, который мы обещали!
Никому не придёт в голову думать, как подключить металлический провод к источнику тока, но для p-n перехода это оказывается существенно важно!
При выключении источника ток естественно прекращается, ширина запирающего слоя возвращается в прежнее, равновесное положение, уровни энергии так же возвращаются в исходное состояние.


Вывод. p-n переход хорошо проводит ток при прямом включении и плохо - при обратном. Такой эффект называют односторонней проводимостью p-n перехода. Для того, чтобы хорошо представлять себе, что происходит в полупроводниках, полезно ещё раз пересмотреть единым духом все анимации, от механизма появления носителей зарядов в полупроводниках до механизмов собственной и примесной проводимости, включая работу p-n перехода.

Где же можно использовать такое неожиданное свойство, как односторонняя проводимость? Об этом чуть позже. А пока проверьте себе, как вы усвоили тему, попробуйте ответить на вопросы темы (см. ниже). Правильные ответы будут отмечены зелёной птичкой, а неправильные красным крестиком, когда вы в конце нажмёте кнопку "Отвечаю". Дробные числа вводятся через точку.