1. Контакт двух металлов, полупроводников или металла с полупроводником обладает выпрямляющим действием. Это значит, что сопротивление такого контакта зависит от направления проходящего через него тока: в одном направлении (запорном) оно велико, в противоположном (пропускном) – мало. Особенно резко выпрямляющее действие выражено на границе дырочного ( $p$ ) и электронного ( $n$ ) полупроводников, когда работа выхода электрона из электронного полупроводника менъше, чем из дырочного. О таком контакте говорят как об электронно-дырочном $p-n$-контакте или переходе. Хорошие $p-n$-переходы не удается получить, прижимая один полупроводник к другому, так как из-за шероховатости поверхностей тел соприкосновение всегда будет происходить лишь в нескольких точках, в воздушных зазорах между телами будут образовываться пленки окислов и т. п. Поэтому для получения хороших $p-n$-переходов в пластинку чистого полупроводника вводят две примеси – донорную и акцепторную (см. § 100). Первая сообщает полупроводнику электронную, а вторая – дырочную проводимость. Например, если пластинка сделана из германия или кремния, то в качестве донора можно взять элемент пятой группы периодической системы (фосфор, мышьяк и пр.), а в качестве акцептора – третьей (бор, индий и пр.). В результате в одной половине пластинки возникает электронная, в другой – дырочная проводимость, а между обеими половинами – тонкий переходный слой. Это и есть $p-n$-переход.
2. Рассмотрим теперь физические явления в электронно-дырочных контактах, с которыми связана односторонняя проводимость последних. Допустим сначала, что контакта между полупроводниками нет. Предположим, что оба полупроводника сделаны из одного и того же материала. Однако к одному из них добавлено небольшое количество донорной, а к другому – акцепторной примесей. В соответствии с этим границы энергетических зон в обоих полупроводниках совпадают (рис. $249 a$ ). Но примесные (промежуточные) уровни в запре-
Рис. 249

щенной зоне расположены в электронном полупроводнике вблизи зоны проводимости, а в дырочном – вблизи валентной зоны. Благодаря этому средняя энергия электрона проводимости и уровень химического потенциала $\mu$ в первом полупроводнике будут выше, а работа выхода меньше, чем во втором полупроводнике.

Допустим теперь, что полупроводники приведены в контакт друг с другом (рис. 249 б). Так как работа выхода электрона из электронного полупроводника меньше, чем из дырочного, то электроны в большем количестве будут переходить из первого во второй. Электронный полупроводник начнет заряжаться положительно, а дырочный – отрицательно. В тонком слое между ними появится контактное электрическое поле, направленное от электронного к дырочному полупроводнику. В результате этого энергетические уровни электронного полупроводника начнут опускаться, а дырочного – подниматься. Контактное электрическое поле будет тормозить переход электронов из электронного в дырочный полупроводник. Процесс перехода электронов прекратится, когда уровни химического потенциала в обоих полупроводниках сделаются одинаковыми. Слева от переходной области энергетические уровни донорных примесей будут на тех же расстояниях от зоны проводимости, что и до контакта, а справа эти расстояния возрастут. Вследствие этого переходная область, в особенности ее правая граница, будет сильно обеднена электронами проводимости. Аналогично, переходная область, и в особенности ее левая граница, будет обеднена и дырками. Можно сказать, что контактное электрическое поле $\mathbf{E}_{\text {к }}$ выталкивает электроны проводимости в глубь электронного, а дырки в глубь дырочного полупроводника. В результате переходный слой на границе обоих полупроводников оказывается сильно обедненным обоими носителями тока: и электронами, и дырками. Поэтому, несмотря на малую толщину (порядка $10^{-4}-10^{-6} \mathrm{cм}$ ), электрическое сопротивление переходного слоя оказывается во много раз больше суммарного сопротивления обоих контактирующих полупроводников.
3. Допустим теперь, что наложено внешнее электрическое поле $\mathbf{E}$, направленное от электронного полупроводника к дырочному, т.е. одинаково с контактным полем $\mathbf{E}_{\text {к }}$. Ввиду большого сопротивления переходного слоя практически вся разность потенциалов, соответствующая наложенному полю, сосредоточится внутри переходного слоя, так что поле $\mathbf{E}_{\text {к }}$ внутри слоя может быть очень сильным. Такое поле усиливает контактное поле $\mathbf{E}_{\text {к }}$ и тем самым еще больше уменьшает концентрацию дырок и электронов проводимости в переходном слое. Сопротивление последнего еще больше возрастет. Практически ток через контакт не пойдет. Не то будет, когда внешнее поле $\mathbf{E}$ направлено против контактного поля $\mathbf{E}_{\text {к. }}$. Достаточно уже небольшого поля $\mathbf{E}$, чтобы оно компенсировало поле $\mathbf{E}_{\text {к. }}$. Тогда электроны проводимости и дырки будут беспрепятственно проникать в переходный слой, и сопротивление последнего практически исчезнет. Ток через контакт будет проходить. Если ток переменный, то в зависимости от его направления и силы сопротивление контакта становится пульсирующим, изменяясь от нуля практически до бесконечности. В соответствии с этим ток через контакт будет проходить только тогда, когда он направлен от дырочного проводника к электронному. На этом принципе работают полупроводниковые выпрямители.
$\mathrm{K}$ этому надо добавить, что в любом полупроводнике, помимо основных носителей тока, имеется относительно малое количество неосновных (см. конец § 100). В электронных полупроводниках, помимо электронов проводимости, есть и дырки, а в дырочных – электроны. Очевидно, если внешнее поле $\mathbf{E}$ направлено от электронного к дырочному полупроводнику, то оно делает беспрепятственным проникновение в переходный слой неосновных носителей. В этом случае через контакт не идет ток основных носителей, но идет ток неосновных носителей. Однако, ввиду относительно малой концентрации последних, этот ток также мал.
4. Полупроводниковые выпрямители с успехом заменяют выпрямительные устройства старых систем. Эти выпрямители отличаются высокими КПД, малыми габаритами и невысокой стоимостью. Существует много различных систем полупроводниковых выпрямителей. Не останавливаясь на этом вопросе, опишем кратко устройство одного из типов германиевого выпрямителя. Он состоит из пластинки германия с электронной проводимостью, в которую с одной стороны вварен шарик индия, а с другой – шарик олова. Оловянный шарик служит только электродом для включения выпрямителя в цепь. Индий же играет принципиальную роль, сообщая германию дырочную проводимость. При нагревании в процессе сварки индий диффундирует в германий, вследствие чего вблизи индиевого электрода возникает дырочная проводимость, а на некоторой глубине – выпрямляющий $p-n$-переход. Такие выпрямители при площади контакта $1 \mathrm{mм}^{2}$ и напряжении $1 \mathrm{~B}$ пропускают токи больше $1 \mathrm{~A}$, причем пропускаемые токи обратного направления обычно не превышают нескольких микроампер. При площади контакта в несколько квадратных сантиметров германиевые и кремниевые выпрямители могут пропускать токи в несколько сотен ампер, хотя они свободно умещаются на ладони руки. Их пробойные напряжения достигают многих сотен и даже нескольких тысяч вольт.

Полупроводниковые выпрямители, как и все полупроводниковые приборы, применяются не только для выпрямления обычных технических токов. В частности, полупроводниковые приборы нашли широкие применения в радиотехнике, для выпрямления и преобразования электрических колебаний высокой частоты, для усиления и генерации электрических колебаний, в счетно-решающих электронных устройствах и т. п. Они в значительной степени вытеснили из радиотехники электронные лампы. Без них было бы невозможно решение множества научно-технических задач. Применение полупроводников – необъятная область, которой посвящены специальные курсы. Однако в задачу настоящей книги не входит изложение практических применений полупроводников.