Принцип действия многих электронных приборов определяется свойствами электронно – дырочного перехода, который представляет собой границу между двумя областями полупроводника, имеющими различный характер электропроводности (между слоями p- и n-типа).Такой переход называют p-n- переходом.
Рассмотрим электронные процессы в областях кристалла и в самом p-n-переходе при отсутствии внешнего электрического поля, а также при условии, что на границе раздела областей отсутствуют механические дефекты и другие включения (рис. 2.1).

Поскольку концентрация дырок в полупроводнике p-типа много больше, чем в полупроводнике n-типа, и ,напротив, в полупроводнике n-типа высока концентрация электронов, то на границе раздела полупроводников различной электропроводности создается перепад (градиент) концентрации дырок и электронов. Поэтому начинается диффузионное перемещение дырок из р- области в п- область и электронов в противоположном направлении. Это обуславливает появление диффузионного тока, имеющего две составляющие: дырочную и электронную. Плотности этих составляющих равны соответственно jрдиф и jnдиф.
В результате ухода дырок из приконтактной области p-типа и электронов из приконтактной области n-типа образуется участок, обедненный от подвижных носителей заряда. В тоже время появляется отрицательный заряд в приконтактной области p-типа за счет ионов акцептной примеси и положительный заряд в приконтактной области n-типа за счет ионов донорной примеси. На рис.2.1, а обедненный слой отмечен кружочками со знаками <-> и <+><+>, обозначающими отрицательные и положительные ионы соответственно акцепторной и донорной примеси. Таким образом, обедненный слой представляет собой область полупроводника с определенной плотностью объемного заряда, наличие которого приводит к образованию электрического поля. На рис.2.1,a направление напряженности этого поля показано вектором Е. Это поле препятствует дальнейшему диффузионному перемещению основных носителей заряда, т.е. дырок из полупроводника p-типа в полупроводник n-типа и электронов в противоположном направлении. Поскольку обедненный слой обладает незначительной электропроводностью, так как в нем практически отсутствуют носители заряда, его еще называют запирающим слоем.
В тоже время электрического поля Е является ускоряющим для неосновных носителей заряда, поэтому через p-n-переход могут перемещаться (дрейфовать) дырки из полупроводника n-типа и электроны из полупроводника p-типа,которые обусловливают дрейфовые токи с плотностями соответственно jрдр и jnдр.
Плотность полного тока через p-n-переход определяется суммой диффузионных и дрейфовых составляющих плотностей токов, которые при отсутствии внешнего напряжения равны. Направление токов дрейфа противоположно токам диффузии (рис.2.1,a). Поэтому в состоянии термодинамического равновесия (при неизменной температуре и отсутствии внешнего электрического поля) плотность полного тока через p-n-переход равна нулю:

jрдиф + jnдиф + jрдр + jnдр = 0

Двойной электрический слой в области p-n-перехода обусловливает контактную разность потенциалов, называемую потенциальным барьером φk (рис.2.1,б) и определяемую уравнением:

φk = φт ln (nn/np) = φт ln (pр/pn),

где φт =kT/q - тепловой потенциал (при нормальной температуре, т. е. при Т=300К, φт ≈ 0,26 В);
k=1,38 × 10-23 Дж/К - постоянная Больцмана;
Т- абсолютная температура;
q-заряд электрона;
nn и pn, pp и np-равновесные концентрации основных и неосновных носителей заряда в n-области (p-области). У германиевых переходов φk=0,3...0,4 В, у кремниевых φk=0,7...0,8 В.
Если подключить к p-n-переходу внешнее напряжение Uобр таким образом, чтобы плюс был приложен к области полупроводника n-типа, а минус - к области полупроводника р-типа (такое включение называют обратным, рис.2.2, в), то обедненный слой расширится, так как под воздействием внешнего напряжения электроны и дырки смещаются от p-n-перехода в разные стороны.
Ширина нового обедненного слоя показана условно штрих - пунктирными линиями. При этом высота потенциального барьера также возрастает и становится равной φk+Uобр, поскольку напряжение внешнего смещения включено согласно контактной разности потенциалов (рис. 2.2,г).
Увеличение потенциального барьера нарушает состояние термодинамического равновесия. При этом диффузионная составляющая тока через p-n-переход уменьшается. Дрейфовая же составляющая тока не изменяется, поскольку концентрация неосновных носителей заряда определяется лишь процессом термогенерации , а не уровнем напряжения. Поэтому при обратном включении p-n-перехода через него проходит обратный ток Iобр, который определяется неосновными носителями и при увеличении обратно смещающего напряжения приближается к постоянному значению Iо=Inдр+Iрдр. Ток Iобр=Iо называют тепловым током или током насыщения.

Если поменять полярность источника внешнего напряжения (такое включение называют прямым смещением, рис. 2.д), то обедненный слой p-n-перехода сужается, а его проводимость увеличивается.
Это связано с тем, что обедненный слой пополняется основными носителями заряда из объемов областей p- и n-типов, поскольку под воздействием Uпр электроны и дырки из объема полупроводника движутся на встречу друг к другу к p-n-переходу. Так как напряжение внешнего источника прикладывается встречно контактной разности потенциалов, то потенциальный барьер снижается и становится равным φk –Uпр. При этом создаются условия для инжекции основных носителей заряда – дырок из полупроводника p-типа в полупроводник n-типа и электронов в противоположном направлении и через p-n-переход проходит большой прямой ток Iпр, обусловленный диффузией основных носителей заряда (диффузионный ток).

Связь между прямым током и приложенным к p-n-переходу прямым напряжением Uпр определяется уравнением:

Iпр=Iо(eUпр/jk - 1) (2.1)

Значение обратного тока можно определить из этого уравнения заменив значения Uпр на –Uобр.
Учитывая, что в рабочей части диапазона обратных токов φт<< /Uобр/, получим:

Iобр=Iо (2.2)

Ток Iобр по значению много меньше Iпр. Прямая и обратная ветви вольтамперной характеристики, соответствующие уравнениям (2.1) и (2.2),показаны на рис. 2.4.

Из соотношений (2.1) и (2.2) (вольтамперной характеристики) следует, что значение и направление тока, проходящего через p-n-переход, зависят от значения и знака приложенного напряжения. При прямом смещении p-n-перехода его сопротивление незначительно, а ток большой. Обратное смещение на переходе обусловливает значительно большее сопротивление в обратном направлении при малом обратном токе.
Таким образом, p-n-переход обладает свойством односторонней проводимости, что позволяет использовать его для выпрямления переменного тока.
Если обратное напряжение превышает некоторое значение Uобр.пр (рис. 2.4), называемое пробивным, то обратный ток Iобр резко возрастает. Если его не ограничить, то произойдет электрический пробой p-n-перехода, сопровождаемый часто тепловым пробоем. Электрический пробой объясняется тем, что при Uобр>Uобр.пр электрическое поле в p-n-переходе становится таким, что в состоянии сообщить электронам и дыркам энергию, достаточную для ударной ионизации в переходе с лавинообразным процессом размножения зарядов. Это способствует резкому возрастанию обратного тока. Кратковременный электрический пробой не разрушает p-n-перехода, т. е. является обратимым явлением. При тепловом же пробое происходит недопустимый перегрев p-n-перехода и он разрушается.
С ростом температуры возрастают как прямой, так и обратный токи. Вольтамперная характеристика p-n-перехода при более высокой температуре показана на рис. 2.4 пунктирной линией.
Емкость р – п - перехода. Электронно-дырочный переход обладает определенной электрической емкостью, складывающейся из двух емкостей - барьерной и диффузионной. Они создаются объемными зарядами противоположного знака: во-первых, неподвижными положительными зарядами ионов доноров и отрицательными - ионов акцепторов; во-вторых, подвижными объемными зарядами дырок и электронов, инжектированных из области, где они были основными, в область, где они являются неосновными. Во втором случае инжекция дырок из р-области в п-область создает в ней у границы большую концентрацию неосновных носителей положительного заряда, а инжекция электронов в противоположном направлении создает в р-области у границы большую концентрацию неосновных носителей отрицательного заряда.
Емкость, обусловленная неподвижными зарядами ионов доноров и акцепторов, создающих в р-п переходе как бы плоскостной конденсатор, носит название барьерной, или зарядной. Она тем больше, чем больше площадь р-п - перехода и меньше его ширина. Ширина р-п - перехода зависит от величины и полярности приложенного напряжения. При прямом напряжении она меньше, следовательно, барьерная емкость возрастает. При обратном напряжении барьерная емкость уменьшается тем сильнее, чем больше Uобр. Это используется в полупроводниковых приборах - варикапах, используемых в качестве конденсаторов переменной емкости, значение которой управляется напряжением. Барьерная емкость в зависимости от площади р-п - перехода составляет десятки и сотни пикофарад.
Емкость, обусловленная объемными зарядами инжектированных электронов и дырок по обе стороны от р-п - перехода, где их концентрация в результате диффузии через р-п - переход велика, носит название диффузионной. Она проявляется при прямом напряжении, когда происходит инжекция носителей заряда, и значительно превышает по величине барьерную емкость, составляя в зависимости от величины прямого тока сотни и тысячи пикофарад. При обратном напряжении она практически отсутствует.
Таким образом, при прямом напряжении на переходе следует учитывать диффузионную емкость, а при обратном - барьерную.