Все наши смартфоны, компьютеры, планшеты, умные и не очень часы и колонки работают, благодаря встроенным микросхемам. В микросхемах есть много элементов, но самые главные работают на основе транзисторов. Все эти транзисторы работают на переходах...на переходах?
Как мы выяснили немного ранее, полупроводники бывают электронными и дырочными. Казалось бы, зачем делать из одного материала два разных по типу проводимости? Конечно же чтобы объединить их в одно устройство. Все веселье начинается именно тогда, когда электронный, или n-проводник, приводят в контакт с дырочным p-проводником. Образуется он — переход. В нашем случае электронно-дырочный или в народе просто n-p (также известен как p-n).
Для начала рассмотрим положение дел на каждом фронте в мирное время, пока ни одна из сторон не подозревает о готовящемся контакте. В электронных полупроводниках существует некоторое количество примесей-доноров, охотно предоставляющих свои электроны для проводимости. Когда электрон уходит с этого донорного уровня, он уносит с собой отрицательный заряд, оставляя одинокий положительный. Покинутый донор называется ионизированным. Поскольку все это происходит в пределах одного материала, электронейтральность не нарушается: сколько "минусов" ушло, столько "плюсов" осталось.
У дырочных полупроводников имеются уровни акцепторов, на которые переходят электроны. Забравшись на них, они уже не могут подняться выше, но и уходить вниз у них нет желания. Возможности тоже нет: свободные места внизу быстро занимают другие электроны, стремящиеся наверх, а "перемещается" как бы дырка. Принцип электронейтральности все так же действует: сколько электронов ушло, столько мест освободилось. Не так хорошо работает логика наименований. Акцептор, к которому пришел электрон, тоже имеет название ионизированного.
Казалось бы, установлено шаткое равновесие, но прагматичные технологи просто соединяют проводники разных типов друг с другом. Заряды, как и мы все, хотят туда, где их нет. Электроны из электронного полупроводника дружно устремляются в дырочный, а дырки направляются в электронный. Говоря научным языком, происходит диффузия, движущей силой которой является градиент концентрации (частицы хотят туда, где их концентрация меньше). Происходит не что иное как перемещение заряженных частиц, то есть течет ток. Так как по школьному соглашению за направление принимается движение положительных зарядов, то есть диффузионный ток направляется из p-области в n-область. Подвижные частицы радостно движутся вперед и покидают ионизированных доноров и акцепторов. В электронной части остается избыточный "+", а в дырочной части избыточный "-".
Покинутые заряды образуют собственное электрическое поле, направленное от n к p, то есть противоположно диффузионному. Пока его напряженность невелика, заряды движутся, оставляя одинокими большее число ионизированных примесей. Когда поле последних становится достаточно сильным, движение прекращается.
Слой из нескомпенсированных зарядов, расположенных в пространстве, называется областью пространственного заряда (в народе ОПЗ).
В переходе устанавливается равновесие, основные носители заряда не способны двигаться ровно до тех пор, пока им не помочь. Сделать это можно по-разному, а можно собрать "бутерброд" из нескольких переходов. В любом случае, главное достоинство сохранится: производителям будет точно известно, при каких условиях ток будет, а при каких еще нет.