p–n-перехо́д (электронно-дырочный переход), область полупроводника, в которой имеет место пространственное изменение типа электрической проводимости (от электронной n к дырочной p). Поскольку в р-области p–n-перехода концентрация дырок гораздо выше, чем в n-области, дырки из р-области стремятся диффундировать в n-область, а электроны – в р-область. После ухода дырок из р-области в ней остаются отрицательно заряженные акцепторные атомы, а после ухода электронов в n-области остаются положительно заряженные донорные атомы. Рис. 1. Схема 𝑝–𝑛-перехода.Рис. 1. Схема 𝑝–𝑛-перехода.Так как акцепторные и донорные атомы неподвижны, то в области p–n-перехода образуется двойной слой пространственного заряда – отрицательные заряды в р-области и положительные заряды в n-области (рис. 1).

Возникающее при этом контактное электрическое поле противодействует диффузии свободных носителей заряда через p–n-переход. В условиях теплового равновесия при отсутствии внешнего электрического напряжения полный ток через p–n-переход равен нулю, т. к. в p–n-переходе существует динамическое равновесие, при котором небольшой ток, создаваемый неосновными носителями (электронами в р-области и дырками в n-области), течёт к p–n-переходу и проходит через него под действием контактного поля; равный по величине ток, создаваемый диффузией основных носителей (электронов в n-области и дырок в р-области), протекает через p–n-переход в обратном направлении. При этом основным носителям заряда приходится преодолевать контактное поле (потенциальный барьер). Разность потенциалов, возникающая между p- и n-областями из-за наличия контактного поля (контактная разность потенциалов, или высота потенциального барьера), обычно составляет десятые доли вольта.

Внешнее электрическое поле изменяет высоту потенциального барьера и нарушает равновесие потоков носителей заряда через него. При приложении положительного потенциала к р-области внешнее поле направлено против контактного, и потенциальный барьер понижается (прямое смещение). В этом случае с ростом приложенного напряжения экспоненциально возрастает число основных носителей заряда, способных преодолеть потенциальный барьер. После прохождения p–n-перехода эти носители становятся неосновными и их концентрация по обе стороны p–n-перехода увеличивается (инжекция неосновных носителей). Одновременно в р- и n-областях через контакты входят равные количества основных носителей, вызывающих компенсацию зарядов инжектированных носителей. В результате возрастает скорость рекомбинации и появляется отличный от нуля ток через p–n-переход, экспоненциально возрастающий с увеличением приложенного напряжения. Приложение положительного потенциала к n-области (обратное смещение) приводит к повышению потенциального барьера. При этом диффузия основных носителей через p–n-переход становится пренебрежимо малой. В то же время потоки неосновных носителей не изменяются (для них барьер не существует). Потоки неосновных носителей заряда определяются скоростью тепловой генерации электронно-дырочных пар, которые диффундируют к барьеру и разделяются его полем. В результате этого через p–n-переход течёт ток насыщения ${I}_{н}$, который обычно мал и почти не зависит от приложенного напряжения. Зависимость тока ${I}$ через p–n-переход от приложенного напряжения ${U}$ (вольт-амперная характеристика) обладает резко выраженной нелинейностью (рис. 2). При изменении знака ${U}$ ток через p–n-переход может меняться в 10⁵–10⁶ раз, благодаря чему p–n-переход является вентильным устройством, пригодным для выпрямления переменных токов (см. Полупроводниковый диод). Зависимость сопротивления p–n-перехода от ${U}$ позволяет использовать его в качестве регулируемого сопротивления (варистора).

При подаче на p–n-переход достаточно высокого обратного напряжения ${U=U}_{пр}$ возникает электрический пробой, при котором через переход течёт большой обратный ток (рис. 2). Рис. 2. Вольт-амперная характеристика 𝑝–𝑛-перехода.Рис. 2. Вольт-амперная характеристика 𝑝–𝑛-перехода.Различают: лавинный пробой, когда на длине свободного пробега в области объёмного заряда носитель приобретает энергию, достаточную для ионизации атомов кристаллической решётки; туннельный (зинеровский) пробой, возникающий при туннелировании носителей сквозь барьер; тепловой пробой, связанный с недостаточностью теплоотвода от p–n-перехода, работающего в режиме больших токов.

От приложенного напряжения зависит не только проводимость, но и электрическая ёмкость p–n-перехода. Действительно, повышение потенциального барьера при обратном смещении означает увеличение разности потенциалов между n- и р-областями полупроводника и, следовательно, увеличение их объёмных зарядов. Поскольку объёмные заряды неподвижны и связаны с кристаллической решёткой ионами доноров и акцепторов, то увеличение объёмного заряда может быть обусловлено только расширением его области и, следовательно, уменьшением ёмкости p–n-перехода. При прямом смещении к ёмкости слоя объёмного заряда (зарядной ёмкости) добавляется т. н. диффузионная ёмкость, обусловленная увеличением концентрации носителей (изменением заряда) при увеличении напряжения на p–n-переходе. Зависимость ёмкости от приложенного напряжения позволяет использовать p–n-переход в качестве варактора или варикапа.

Множество применений p–n-перехода основаны на зависимости контактной разности потенциалов и тока насыщения от концентрации неосновных носителей заряда, которая существенно изменяется при различных внешних воздействиях (тепловых, механических, оптических и др.). На этом основано действие различных датчиков (например, датчиков температуры, давления, ионизирующих излучений). p–n-переход используют также для преобразования световой энергии в электрическую (см. Солнечная батарея). p–n-переходы являются основой различных полупроводниковых диодов, а также входят в качестве составных элементов в более сложные полупроводниковые приборы – транзисторы, тиристоры и др. Инжекция и последующая рекомбинация неосновных носителей в p–n-переходе используются в светоизлучающих диодах и инжекционных лазерах.

p–n-переход может быть создан: 1) в объёме одного и того же полупроводникового материала, легированного в одной части донорной примесью (р-область), а в другой – акцепторной (n-область); 2) на границе двух различных полупроводников с разными типами проводимости (см. Гетеропереход); 3) вблизи контакта полупроводника с металлом, если ширина запрещённой зоны полупроводника меньше разности работ выхода полупроводника и металла; 4) приложением к поверхности полупроводника с электронной (дырочной) проводимостью достаточно большого отрицательного (положительного) потенциала, под действием которого у поверхности образуется область с дырочной (электронной) проводимостью (инверсионный слой).

Если p–n-переход получают вплавлением примесей в монокристаллический полупроводник (например, акцепторной примеси в кристаллах с проводимостью n-типа), то переход от n- к р-области происходит скачком (резкий p–n-переход). Если используется диффузия примесей, то образуется плавный p–n-переход. Плавные p–n-переходы можно получать и при выращивании монокристалла из расплава, в котором постепенно изменяют содержание и характер примесей. Создавать p–n-переход заданного профиля позволяет метод ионного внедрения примесных атомов.