Puslaidininkinė sandūra. Puslaidininkinis diodas (neprivaloma tema, skirta besidomintiems fizika)

Kyla klausimas: kas atsitiks sulydant n puslaidininkį su p puslaidininkiu? Dviejų skirtingo laidumo puslaidininkių riba, skirianti skylinio ir elektroninio laidumo sritis, vadinama skyline elektronine sandūra, trumpiau – pn sandūra (5.6.1 pav., a).

Suglaudus du skirtingo laidumo puslaidininkius pn sandūroje vyksta keli procesai.

1. Difuzija. Prasideda savaiminis elektringųjų dalelių (elektronų ir skylių) maišymasis (5.6.1 pav., a).
2. Rekombinacija. Daliai elektronų perėjus iš n puslaidininkio į p puslaidininkį vyksta rekombinacija (lot. re – veiksmo atnaujinimas, combinatio – jungimas, derinimas). Neigiamąjį elektronų krūvį neutralizuoja skylės. Iš p puslaidininkio į n puslaidininkį perėjusias skyles neutralizuoja elektronai. Dėl rekombinacijos pn sritis virsta dielektriku.
3. Susidaro užtvarinis sluoksnis. Tęsiantis elektringųjų dalelių difuzijai n puslaidininkio sritis prie pn sandūros įsielektrina teigiamai, o p puslaidininkio sritis – neigiamai (5.6.1 pav., b). Susidaro užtvarinis sluoksnis – priešingo ženklo krūvių sritys prie pn sandūros. Apie šias sritis atsiranda užtvarinis elektrinis laukas \left(\vec{E_{\mathrm{u}}}\right), kuris sustabdo pagrindinių elektringųjų dalelių difuziją.

Aptarkime, kas vyksta pn sandūroje p puslaidininkį prijungus prie teigiamojo šaltinio poliaus, o n puslaidininkį – prie neigiamojo (5.6.2 pav., a). Srovės šaltinis sukuria išorinį elektrinį lauką \left(\vec{E_{\mathrm{\mathrm{i}}}}\right), kuris nukreiptas prieš užtvarinio sluoksnio elektrinį lauką \left(\vec{E_{\mathrm{u}}}\right) ir jį kompensuoja. Per pn sandūrą pradeda judėti pagrindinės elektringosios dalelės: iš n puslaidininkio į p puslaidininkį juda elektronai, o iš p puslaidininkio į n puslaidininkį – skylės. Dėl to viso puslaidininkio laidumas padidėja, o varža sumažėja. Sakoma, kad nagrinėjama pn sandūra įjungta į grandinę laidžiąja kryptimi. Laidžiosios krypties srovė vadinama tiesiogine srove.

Kai p puslaidininkis prijungiamas prie neigiamojo šaltinio poliaus, o n puslaidininkis – prie teigiamojo, srovės šaltinio sukurtas išorinis elektrinis laukas \left(\vec{E_{\mathrm{\mathrm{i}}}}\right) yra nukreiptas užtvarinio sluoksnio elektrinio lauko \left(\vec{E_{\mathrm{u}}}\right) kryptimi ir jį sustiprina (5.6.2 pav., b). Dėl to pagrindinės elektringosios dalelės tolsta nuo pn sandūros. Nelaidi sritis pn sandūroje dar labiau praplatėja (5.6.2 pav., b). O per pn sandūrą juda šalutinės elektringosios dalelės: iš n puslaidininkio – skylės, iš p puslaidininkio – elektronai. Tačiau p puslaidininkyje yra mažai elektronų, o n puslaidininkyje – mažai skylių. Dėl to srovės stipris puslaidininkyje esant tai pačiai įtampai yra daug mažesnis negu laidžiąja kryptimi. Toks pn sandūros jungimo į grandinę būdas vadinamas jungimu užtvarine kryptimi. Užtvarinės krypties labai silpna srovė vadinama atgaline srove. Vadinasi, skylinis elektroninis puslaidininkis praleidžia elektros srovę tik viena laidžiąja kryptimi.

Skylinio elektroninio puslaidininkio savybė praleisti elektros srovę tik viena kryptimi taikoma puslaidininkiniuose dioduose (5.6.3 pav.). Puslaidininkiniu diodu vadinamas prietaisas, turintis vieną skylinę elektroninę sandūrą. Puslaidininkinis diodas elektrinėse schemose žymimas simboliu . Puslaidininkiniai diodai naudojami automatiniuose įrenginiuose, skaičiavimo technikoje, radiotechnikoje.

Laidžiosios ir užtvarinės krypties sampratą per pn sandūrą palengvina žinios apie elektrostatinę krūvių sąveiką. Vienodo ženklo elektros krūviai vienas kitą stumia, o priešingo ženklo krūviai traukia. Prie p puslaidininkio prijungus teigiamąjį šaltinio polių šaltinio krūvio ir skylių krūvio ženklas yra tas pats. Pliusas ir pliusas vienas kitą stumia (5.6.2 pav., a). Todėl skylės p puslaidininkyje yra stumiamos prie pn sandūros, elektronai (minusas ir minusas) n puslaidininkyje taip pat stumiami prie pn sandūros. Per pn sandūrą juda pagrindinės elektringosios dalelės. Dėl to viso puslaidininkio laidumas padidėja, o varža sumažėja. Sakoma, kad pn sandūra įjungta į grandinę laidžiąja kryptimi.

Prie p puslaidininkio prijungus neigiamąjį šaltinio polių šaltinio krūvio ir skylių krūvio ženklai yra priešingi. Pliusas ir minusas vienas kitą traukia. Todėl skylės p puslaidininkyje (kaip ir elektronai n puslaidininkyje) yra atitraukiami nuo pn sandūros. Per pn sandūrą juda tik šalutinės elektringosios dalelės, teka labai silpna atgalinė elektros srovė.