WSTĘP TEORETYCZNY
Najbardziej typowymi i zarazem najczęściej stosowanymi półprzewodnikami są german Ge i krzem Si. Gdy półprzewodnik nie ma zaburzonej struktury krystalicznej mówimy, że jest półprzewodnikiem samoistnym. W półprzewodnikach samoistnych nośnikami prądu są elektrony i dziury, przy czym koncentracje ich są jednakowe. Półprzewodniki, w których przepływ prądu wywołany jest głównie ruchem dziur, są nazywane półprzewodnikami typu p. Jeśli przepływ prądu jest związany z ruchem elektronów to mówimy, że półprzewodnik jest typu n. Znacznie lepiej byłoby mieć półprzewodnik tylko z jednym rodzajem nośników prądu: elektronami albo dziurami. Jest to możliwe, poprzez wprowadzenie do półprzewodnika samoistnego obcych atomów, które nazywamy domieszką, co wpływa w znacznym stopniu na jego właściwości elektryczne.
Atomy germanu, krzemu mają cztery elektrony walencyjne, które uczestniczą w wiązaniu z czterema najbliższymi sąsiadami w sieci krystalicznej. Jeśli w siatce zastąpimy jeden z atomów germanu (krzemu) atomem domieszki mającym pięć elektronów walencyjnych (fosfor, arsen, antymon, bizmut), to piąty elektron nie może utworzyć wiązania walencyjnego. Jest on słabo elektrostatycznie związany z jądrem domieszki. Aby go oderwać wystarczy na ogół niewielka energia (dla fosforu w Ge 0.012 eV). Stan ten nazywamy donorowym (z angielskiego: odonor - dawca). Energia elektronów znajdujących się w tym stanie jest ściśle określona, a więc w modelu pasmowym półprzewodnika opisana przez jeden poziom zwany donorowym. Jest on położony wewnątrz przerwy zabronionej półprzewodnika w pobliżu dna pasma przewodnictwa. Odległość energetyczna w porównaniu z przerwą energetyczną półprzewodnika jest mała. Wystarczy niewielkie wzbudzenie cieplne, aby elektron opuścił poziom donorowy i znalazł się w paśmie przewodnictwa. Wskutek tych przejść w półprzewodniku pojawia się nadmiarowa przewodność elektronowa zwana przewodnością typu n. Półprzewodnik po domieszkowaniu go donorami staje się półprzewodnikiem typu n. Poziomy donorowe są zlokalizowane.
Jeśli zaś do siatki krystalicznej zostaje wprowadzony atom domieszkowy z trzema elektronami walencyjnymi to elektrony te utworzą wiązania z trzema sąsiednimi atomami sieci pierwotnej, trzecie wiązanie pozostanie niewysycone. Utworzy się zlokalizowana dziura, o energii zawierającej się w przerwie wzbronionej, w pobliżu jej dna. Może być ona łatwo wypełniana przez elektron biorący udział w którymś z sąsiednich wiązań german-german. Po takim przyjęciu elektronu przez omawianą dziurę powstaje dziura w innym miejscu sieci. Jest to dziura o znacznej ruchliwości. Takie nieobsadzone stany nazywamy stanami akceptorowymi (z angielskiego: accept - przyjmować), a związane z nimi poziomy energetyczne - poziomami akceptorowymi. Półprzewodnik po domieszkowaniu go akceptorami staje się półprzewodnikiem typu p.
Dioda półprzewodnikowa powstaje przez zetknięcie dwóch półprzewodników o różnych rodzajach przewodności niesamoistnej. Granica zetknięcia półprzewodnika typu n z półprzewodnikiem typu p nosi nazwę złącza p-n. Złącze to uzyskać można w jednym krysztale, jeżeli wytworzy się w nim dzięki odpowiednim domieszkom obszary o przewodności p, n. Złącze p-n umieszczane jest najczęściej w obudowie metalowej chroniącej go przed uszkodzeniami mechanicznymi i wpływami atmosferycznymi.
W obszarze złącza p-n elektrony przechodzą z półprzewodnika typu n do p, natomiast dziury w kierunku przeciwnym. Zjawisko to nazywamy dyfuzją nośników ładunku, a jego przyczyną jest różnica koncentracji nośników po obu stronach złącza. W wyniku tego procesu w cienkim obszarze półprzewodnika typu n wystąpi nadmiar ładunku dodatniego (w porównaniu z głębszym obszarem półprzewodnika typu n). Natomiast w obszarze półprzewodnika typu p wystąpi nadmiar ładunku ujemnego (w porównaniu z głębszym obszarem półprzewodnika typu p). Tak więc warstwa podwójna wytwarza lokalne pole elektryczne Enp o kierunku od typu n do p przeciwdziałające dalszej dyfuzji nośników ładunku.
Jeżeli do złącza p-n przyłożyć zewnętrzne pole elektryczne Ez w kierunku zgodnym z kierunkiem pola Enp, to grubość warstwy zaporowej wzrośnie. W wyniku rezystancja złącza znacznie wzrośnie i będzie przez niego płynąć stosunkowo słaby prąd. Jest to prąd zaporowy, a o jego kierunku przepływu mówimy - kierunek zaporowy. Natomiast, w wyniku przyłożenia do złącza p-n zewnętrznego pola Ez w kierunku przeciwnym do kierunku pola wewnętrznego Enp grubość warstwy zaporowej zmniejsza się. Zmniejsza się także rezystancja złącza, przez co możliwe jest, aby przez diodę mógł płynąć prąd o dużym natężeniu. Kierunek tego prądu nazywamy kierunkiem przewodzenia.
Natężenie prądu I płynącego przez złącza p-n pod wpływem przyłączonego z zewnątrz napięcie U wyraża się następującym wzorem:
I = Is {exp[ ( |e|U ) / ( βkT ) ] - 1} , gdzie:
Is - tzw. prąd nasycenia;
e - ładunek elementarny;
k - stała Boltzmanna;
β - proporcja między składową prądu dyfuzyjnego, a składową prądu rekombinacyjnego.
W kierunku przewodzenia ( U > 0 ) prąd ( I > 0 ) wzrasta gwałtownie ze wzrostem napięcia , a w kierunku zaporowym ( U < 0 ) prąd ( tu I < 0 ) szybko osiąga wartość ekstremalną ( I = - Is ). Dla dużych napięć polaryzujących diodę w kierunku przewodzenia w powyższym wzorze można pominąć 1 i po zlogarytmowaniu wzoru użyć go do wyznaczenia doświadczalnego wartości prądu nasycenia Is i współczynnika β.