Hình 2.1: Chuyển tiếp p − n: (a) Sơ đồ cấu trúc; (b) Điện trường E tạo bởi các điện tích không gian dọc theo phương x (vuông góc với lớp tiếp xúc); (c)
Thế V tương ứng với điện trường E.
Chuyển tiếp p-n là cấu trúc bao gồm một bán dẫn loại p và một bán dẫn loại n, tiếp xúc với nhau, như mô tả trên hình 2.1(a). Khi hai bán dẫn tiếp xúc với nhau, electron của các donor bên bán dẫn loại n sẽ khuyếch tán sang bên bán dẫn loại p, bỏ lại đằng sau các i-on donors cố định, mang điện dương. Ngược lại, hole khuyếch tán từ bán dẫn loại p sang bán dẫn loại n, bỏ lại phía sau các i-on âm cố định. Kết quả là, ở lân cận miền tiếp xúc, bên phía bán dẫn loại n xuất hiện một lớp điện tích dương (các i-on donors), còn bên phía bán
khác dấu này (giống như hai bản tụ điện) tạo ra trong miền không gian giữa chúng một điện trường E (thường lên tới 103– 105 V/cm) - xem Hình 2.1(b). Điện trường này lại tạo ra một bờ thế với độ cao V0 (Hình 2.1(c)), nhằm ngăn không cho electron và hole tiếp tục khuyếch tán qua lớp tiếp xúc, giữ cho cấu trúc ở trạng thái cân bằng. Chính bờ thế này đã cấu thành chuyên tiếp.
Bờ thế xuất hiện ở miền tiếp xúc của chuyển tiếp p-n làm cho cấu trúc này có đặc tính lạ: nó chỉ cho dòng đi qua theo một chiều. Thật vậy, trên hình 2.1(a), nếu ta nối cực dương của nguồn ngoài vào bên bán dẫn loại p, thì thế của nguồn ngoài sẽ làm giảm bớt độ cao của bờ thế tiếp xúc, nhờ vậy khi điện áp ngoài tăng, dòng qua chuyển tiếp tăng rất nhanh (theo hàm e-mũ). Điện áp tác dụng theo chiều như vậy gọi là điện áp thuận (forward bias) và dòng tương ứng là dòng thuận. Ngược lại, nếu ta nối cực dương của nguồn ngoài với bên bán dẫn loại n, thì thế nguồn ngoài sẽ làm gia tăng thêm bờ thế tiếp xúc, hệ quả là dòng đi qua chuyển tiếp rât yếu và nhanh chóng bị bão hòa ở một giá trị I0 rất nhỏ nào đó, cho dù điện áp ngoài vẫn tiếp tục tăng. Điện áp tác dụng theo chiều này gọi là điện áp ngược (reserse bias) và dòng tương ứng là dòng ngược.
Thành thử, thực tế là, chuyển tiếp p-n chỉ cho dòng đi qua theo chiều thuận. Với đặc tính này, chuyển tiếp p-n chính là một diode tuyệt vời. Nếu gọi I là cường độ dòng điện đi qua diode và V là điện áp ngoài, thì đặc trưng I − V (curent-voltage characteristics) của một diode lí tưởng có dạng:
I = ( − 1) (2.1.1)
Đặc trưng I − V này được minh họa trên hình 2.2, trong đó miền 1 ứng với điện áp ngược, miền 2 và 3 ứng với điện áp thuận. Trong miền 1, dòng nhanh chóng bão hòa ở cường độ rất nhỏ, I0 ≈ 20 µA. Trong miền 2 và 3 dòng tăng rất nhanh theo điện áp. Trong công nghệ, miền 3 (điện áp rất cao) thường
Hình 2.2: Đặc trưng Vol-Ampere của diode.
Dựa trên nguyên tắc vừa thảo luận, người ta đã chế tạo hàng chục loại diode chuyển tiếp p-n. Mỗi diode là một linh kiện bán dẫn, bao gồm một chuyển tiếp p-n và hai điện cực nối ra ngoài. Tùy thuộc vào loại bán dẫn sử dụng và cấu trúc chuyển tiếp, mà mỗi loại diode có một chức năng riêng: các diode nắn dòng dùng trong pin mặt trời; các diode phát sáng (LEDs) chuyển dòng điện thành ánh sáng; các diodes quang (photodiodes) ...