Fyzikální základy polovodičů

Představme si na chvíli, že obě části monokrystalu jsou nejprve od sebe prostorově odděleny. Část P obsahuje kromě neutrálních atomů základního prvku určitý počet vázaných záporných iontů a stejný počet volně pohyblivých děr. V části N jsou pevně vázanými náboji kladné ionty a pohyblivými náboji elektrony. Jak již bylo vysvětleno, jsou tyto části krystalu navenek elektricky zcela neutrální. Nevytvářejí žádné vnější elektrické pole, které by mohlo jakkoliv ovlivnit pohyb volných nábojů v krystalové mřížce druhé části.

Předpokládejme pro výklad, že by bylo možné navzájem spojit obě části monokrystalu tak dokonale, aby krystalová mřížka jedné z nich plynule, bez jakýchkoli nepravidelností (poruch) navazovala na krystalovou mřížku druhé části. Ihned po spojení obou částí by začala působit difúze, tj. snaha volných nosičů náboje rovnoměrně se rozptýlit po celém objemu monokrystalu. Jakmile některý elektron přejde z části N do P nebo díra z části P do N, poruší se rovnováha elektrických nábojů obou původně elektricky neutrálních částí. V části N, která ztrácí elektrony, začíná převládat kladný náboj pevně vázaných iontů donoru. Zároveň v části P, ve které elektrony rekombinují, začíná převládat záporný náboj pevně vázaných iontů akceptoru. Mezi částí P a N se vytváří rozdíl potenciálů. který se nazývá difúzní napětí. Čím více nosičů přejde přes přechod, tím je difúzní napětí větší.

Současně se vznikem rozdílu potenciálů se v okolí přechodu PN vytváří elektrostatické pole pevných iontů. Další difúze volných nábojů přes přechod je v důsledku silového působení tohoto pole stále obtížnější, neboť záporné ionty v části P odpuzují elektrony, které se snaží do této části proniknout. Stejně působí i kladné ionty v části N na přicházející díry. Přitom každý další přechod náboje zvětšuje intenzitu pole, a tím zesiluje odpudivou sílu působící na difundující náboje. Děj probíhá tak dlouho, až dojde k dynamické rovnováze mezi kinetickou energií difundujících nosičů náboje a odpudivou silou elektrostatického pole iontů. Za té situace již kinetická energie nosičů náboje nestačí k překonání rozdílu potenciálních energií mezi oběma částmi krystalu. Další růst difúzního napětí se zastaví.

Difúzní napětí je na přechodu PN v germaniu asi 0,2 V, v křemíku 0,66 V, v arzenidu galia asi 1,3 V. Je zřejmé, že difúzní napětí nemůže vyvolat průchod proudu vnějším obvodem, neboť je vytvářeno polem pevně vázaných iontů, které není možné z krystalu do vnějšího obvodu odvést. Lze ho změřit nepřímými metodami.

Pro majoritní nosiče náboje tvoří difúzní napětí (elektrostatické pole pevných iontů) překážku zvanou potenci, cílová přehrada (potenciálový val, potenciálová bariéra), přes kterou tyto nosiče náboje nemohou pronikat z jedné části do druhé. Elektrostatické pole pevných kladných iontů části N odpuzuje od místa přechodu volné díry pohybující se v části P. Stejně působí pole i na volné elektrony v části N.