10.6 : Podstawy półprzewodników

Złącze p-n powstaje w wyniku połączenia materiałów półprzewodnikowych typu p i n. Na styku złącza p-n dziury od strony p i elektrony od strony n zaczynają dyfundować w przeciwne strony ze względu na gradient stężeń. Ta dyfuzja nośników prowadzi do obszaru wokół złącza, w którym nie ma wolnych nośników ładunku, zwanego obszarem wyczerpania. Gęstość ładunku w obszarze wyczerpania dla strony n i p można opisać równaniami:

Gdzie q to ładunek elementarny, N_D i N_A to odpowiednio stężenia domieszki donora i akceptora.

Stałe ładunki w obszarze zubożenia tworzą pole elektryczne (E), skierowane od strony n do strony p, przeciwstawiając się dalszej dyfuzji nośników. To pole elektryczne powoduje powstanie różnicy potencjałów na złączu, zwanej napięciem wbudowanym (V_0), którą można obliczyć ze wzoru:

Gdzie, V_T to napięcie termiczne, a ni to wewnętrzne stężenie nośnika.

W złączu p-n występują dwa rodzaje prądów: prąd dyfuzyjny spowodowany dyfuzją nośnika i prąd dryfowy powodowany polem elektrycznym. W stanie równowagi wielkość prądu dyfuzyjnego jest równa wielkości prądu dryfu, co prowadzi do braku przepływu prądu netto przez złącze. W warunkach obwodu otwartego nie ma prądu zewnętrznego, a napięcie wbudowane w warstwę zubożoną równoważy potencjał stykowy na złączach metal-półprzewodnik, co skutkuje zerowym napięciem sieciowym na zaciskach.

Wbudowane napięcie barierowe i szerokość obszaru zubożenia odgrywają kluczową rolę w zachowaniu złącza. Szerokość obszaru zubożenia określa pojemność złącza i wpływa na to, jak złącze będzie reagować na napięcia zewnętrzne.