Vhodným technologickým procesem lze vytvořit, přechod PN představující oblast polovodiče, ve které se mění elektrická vodivost jednoho typu na druhý. Při rozboru vlastností přechodu PN budeme předpokládat ideální stupňovitý nesymetrický přechod PN, ve kterém oblast vodivosti typu P přechází nespojitě v oblast vodivosti typu N. [1]

Přechod PN v obvodu s vnějším napětím

Připojíme-li k vývodům polovodičů s PN přechodem vnější napětí, můžeme očekávat, že se v důsledku zvýšeného odporu depletiční vrstvy (snížená koncentrace nosičů náboje) prakticky celé napětí objeví na této přechodové oblasti. Napětí vnějšího zdroje ovlivňuje průběh potenciálu vnitřního elektrického pole a mění výšku potenciální bariery. Zvětšuje-li se výška potenciální bariery, přechod je polarizován v závěrném směru, na přechod působí záporné závěrné napětí U = -U_R. Způsobuje-li vnější napětí snižování potenciální bariéry je přechod polarizován v propustném směru, na přechod působí kladné propustné napětí U = U_F. Při určité hodnotě vnějšího napětí mizí potenciální bariera, volné nosiče náboje opět vyplní prostor přechodu PN, takže jeho odpor značně poklesne. V pásmovém modelu přechodu PN s přiloženým vnějším napětím (obr.2.7.) dojde k posuvu energetických pásem jednotlivých polovodičů, přičemž se změní i polohy Fermiho hladin (v termodynamické rovnováze je poloha Fermiho hladin při vytvoření přechodu PN stejná).

Pomocí difúzního napětí získáme vztahy:

které udávají koncentraci minoritních nosičů bez přiloženého vnějšího napětí (U = 0).

Koncentrace minoritních nosičů s přiloženým vnějším napětím  jsou  určeny vztahem:

Při teplotách vyšších  než  první  aktivační  teplota  dochází  k  takřka  plné aktivaci příměsí i k vlastní generaci nosičů, takže platí :

Koncentrace majoritních nosičů je dána především příměsí, přičemž nezávisí na vnějším napětí U. Dosazením vztahu (2.5) do (2.7) a (2.6) do (2.8) získáme vztahy:

Intrinzickou koncentraci můžeme definovat i pro případ, kdy neplatí termodynamická rovnováha:

Obr: 2.7. PN přechod s přiloženým vnějším napětím: a) zapojení v propustném směru  b) pásmový model přechodu PN v termodynamické rovnováze c) pásmový model přechodu PN polarizovaného vnějším napětím U v propustném směru [1]

VA charakteristika přechodu PN

Matematické vyjádření VA charakteristiky přechodu PN vyplývá z předcházejících vztahů. S respektováním všech vlivů je ovšem tento výpočet velmi složitý.Proto se pro představu zavádí pojem tzv. ideálního přechodu PN charakterizovaného zejména předpokladem, že nosiče náboje procházejí přes přechod PN bez rekombinace, elektrické pole v oblasti mimo přechod PN je velmi malé a můžeme ho zanedbat. Pro VA charakteristiku lze pak odvodit vztah:

Nasycený proud závisí na řadě faktorů. Zvětšuje se s rostoucí teplotou, se zvětšováním plochy přechodu S, a naopak se zmenšuje s rostoucí koncentrací příměsí a  s větší šířkou zakázaného pásma.

Obr: 2.8. VA charakteristika ideálního přechodu PN

VA charakteristika reálného přechodu PN se odlišuje od ideálního zejména v důsledku rekombinačního proudu, odporu neutrálních oblastí, generačního proudu, vysoké injekce minoritních nosičů a průrazu v závěrném směru. Průrazy přechodu PN v závěrném směru  jsou způsobeny  tunelovým  jevem, lavinovou generaci v depletiční vrstvě, zvýšením teploty  přechodu  v důsledku Jouleových ztrát a nečistotami na povrchu polovodiče. Podle příčiny průrazu pak rozlišujeme :

1) Zenerův průraz, který je způsoben tunelováním elektronů z valenčního pásma oblasti P do vodivostního pásma oblasti N. Tunelový jev vzniká za určitých předpokladů : velmi úzká  depletiční vrstva (zvýšením  koncentrace  příměsí), kritická hodnota intenzity v depletiční vrstvě, existence volné hladiny za přechodem, na kterou by elektrony mohly  přejít  (obr.2.9.a).  VA  charakteristika  při  Zenerově průrazu   se vyznačuje pomalým narůstáním závěrného proudu v okolí napětí U_z. Napětí U_z je tzv. Zenerovo napětí.

                                                                                   a)                                                     b)

Obr: 2.9. Tunelování elektronů při Zenerově průrazu:  a) pásmový model  b) závěrná VA charakteristika

2) Lavinový průraz je způsoben lavinovou generací párů elektron-díra v důsledku působení vnějšího elektrického pole s velkou intenzitou. Energie potřebná na vyvolání nárazové ionizace se získává v podobě pohybové energie elektronů při jejich urychlení v silném elektrickém poli (obr. 2.10.a)

3) Tepelný průraz, který je způsoben zvýšením teploty přechodu v důsledku Jouleových ztrát. Ztrátový výkon, který vzniká průchodem proudu přechodem způsobuje zvyšování teploty přechodu. Jestliže za určitých ochlazovacích podmínek se nestačí teplo vzniklé průchodem proudu přechodem PN odvést, dojde k narůstání teploty přechodu i polovodiče, a tím ke zvýšení vodivosti, což má za následek další vzrůst ztrátového výkonu a tím i teploty přechodu, až dojde k tepelnému průrazu, který způsobí destrukci přechodu (obr. 2.10b).

                                                                                a)                                                b)

Obr: 2.10. Závěrné VA charakteristiky PN přechodu:  a) lavinový průraz  b) tepelný průraz

4) Povrchový průraz přechodu PN v závěrném směru je způsoben vytvořením vodivého kanálu v pasiované vrstvě povrchu polovodiče, které je spojeno s působením povrchového náboje na šířku přechodu. Jestliže je znaménko povrchového náboje opačné než znaménko majoritních nosičů v objemu polovodiče, dochází k proudění majoritních nosičů k povrchu polovodiče a vzniku obohacené vrstvy o majoritní nosiče. V důsledku vzniku obohacené podpovrchové vrstvy dochází k zúžení oblasti prostorového náboje a vzrůstu intenzity elektrického pole při povrchu, což vede ke vzniku povrchového průrazu, i když intenzita elektrického pole v objemu přechodu je menší než kritická. [1]