Az „n” típusúban negatív töltésű szabad elektronok vezetik az áramot, a „p” típusúban képzeletbeli pozitív töltéshordozók, a lyukak mozognak. Mind a két félvezető fajtát mesterségesen is előállíthatjuk, ha az „n” típus létrehozásához öt vegyértékű, a „p” típusúhoz pedig három vegyértékű atomokkal etetjük az anyagot. Ezt mesterséges szennyezésnek, árnyaltabban adalékolásnak nevezzük. Ha öt vegyértékű az adalék, akkor donornak (adományozó), ha három, akkor akceptornak (elvevő, rabló) nevezik. Minél több az adalékolt atomok mennyisége, annál jobban vezet a félvezető.

Az „n” típusú félvezetőben is vannak lyukak, és a „p” típusúban is vannak szabad elektronok, de ezek mennyisége sokkal alacsonyabb; ők a kisebbségi töltéshordozók.

Alapvetően azonban mind az „n”, mind a „p” réteg semleges kifelé.

A szabad töltéshordozók önmaguktól is vándorolnak, mert az anyag sűrűsége nem egyenletes – van, ahol több, akad, ahol kevesebb a hely. Ez a diffúziónak hívott jelenség hasonló ahhoz, mint amikor gyülekeznek a népek egy koncertre. Kezdetben még kevesen vannak, és szép lassan szivárognak be egyre többen.

Képzeletben készítsünk egy olyan eszközt, aminek az egyik fele „p”, a másik fele „n” típusú félvezető!

A két rész határán átmeneti réteg alakul ki, amin érdekes folyamatok játszódnak le. A határ mindössze néhány µm vastag sáv.

Az „p” részben sok a szabad lyuk, az „n” részben sok a szabad elektron. a kristályban mind a lyukak, mind az elektronok sűrűsége változó. A két réteg érintkezésénél a töltéshordozók koncentrációjának különbsége miatt diffúzió indul meg. Ha a határt átlépi egy elektron, és a helyébe egy lyuk ugrik be a túloldalról, akkor az „n” oldalon megbomlik a kristály semlegessége, hiszen nőtt a lyukak száma, tehát pozitív töltés halmozódik föl. A „p” oldalon pedig elektrontöbblet lesz, a negatív töltés gyűlik rendesen. A határon egymásba is ütközhetnek, semlegesíthetik egymást – ennek rekombináció a neve.

Az átmeneti réteg két oldala között potenciálkülönbség, gát, fal alakul ki, ami megakadályozza a további töltésáramlást. Ez a gát szilícium esetén kb. 0,7 volt, germániumnál kb. 0,2 volt. Az elsőként átjutó elektronok, illetve lyukak már taszítják a többieket.

A töltéshordozók áramlása megszűnik, és kialakul a kiürített réteg, amelyben már nincs szabad töltéshordozó.

Mivel az ellentétes töltéssel rendelkező atomtörzsek egymáshoz közel helyezkednek el a képzeletbeli illesztési határ két oldalán, az elektromos térerővonalak legnagyobb része ezek között, az anyag belsejében, szűk környezetben záródik. Ennek köszönhetően a kristály két oldalán nem mérhető feszültség, ami miatt ezt az erőteret beépült erőtérnek nevezzük.

A kristályra most külső feszültséget kapcsolunk úgy, hogy a feszültségforrás pozitív pólusát a „p” réteg szélére, a negatívot az „n” réteg szélére kötjük.

A negatív pólusról érkező elektronok taszítják az „n” rétegben levő elektronokat, az átmenet felé lökik őket. A „p” réteg pedig még pozitívabb lesz, ami miatt a lyukak sodródnak az átmenet felé. Az átmenet szélessége csökken, a potenciálkülönbség gát magassága, feszültsége is csökken. Olyan, mintha valaki rátenyerelt volna a gátra.

A külső feszültség további növelésével a gát el is tűnik: folyik az áram! Ezt az áramot nyitóirányú, röviden, nyitóáramnak hívják.

Fordítsuk meg a dolgot! Az „n” rétegre a feszültségforrás pozitív pólusa, a „p” rétegre a negatív pólusa csatlakozzon!

A „p” rétegbeli lyukak őrültként fognak rohanni a negatív pólus felé, mert ott a nekik való elektronok vonzzák őket, az „n” rétegbeli elektronok pedig a pozitív pólus ölelését fogják élvezni. A gát egyre szélesebb, a gátfeszültség egyre nagyobb lesz. Ezért ebben az esetben nem folyik az áram. Pontosabban, az időnkénti elektron-lyuk rekombináció miatt van egy pici áram, amit visszáramnak hívnak.

Persze, ha nagyon nagy feszültséget adunk az eszközre, előbb-utóbb áttöri a gátat, mert annak szélessége nem lehet nagyobb, mint maga az eszköz, de ez már másik történet.

Most örüljünk, hogy van egy olyan eszközünk, ami az egyik irányban vezet, a másikban lényegében nem: lehet vele váltóáramból egyenáramot csinálni.

Na, örülsz már?

Éppen olyan, mint az elektroncsövek közül a dióda. Sőt, így is hívják. És régóta már úgy van, hogy ha azt mondjuk, hogy dióda, senki nem a csőre gondol, hanem erre a sokoldalú, sokféle feladatot ellátó félvezető alkatrészre.

Most is játszhatsz a félvezetők működését bemutató, Java alkalmazással.

https://phet.colorado.edu/hu/simulation/legacy/semiconductor

Most két réteget jelöljél ki, s aztán változtasd az elem feszültségének nagyságát és irányát!

A speciális diódáknak külön jelük is van.

E különleges diódák közül kettőt említek meg. A leggyakrabban a világító vagy fénykibocsátó diódákat, a LED-eket (Light-Emitting Diode) használjuk.

A találmány 90 éves: 1927-ben jelentette be Oleg Loszev szovjet fizikus az első LED létrehozását egy-egy szovjet, német és brit tudományos folyóiratban.

A diódára kapcsolt elektromos áram a dióda anyagában levő atomok elektronjait gerjeszti, amitől azok nagyobb energiaszintű elektronpályára lépnek, majd miközben visszatérnek eredeti energiaszintjükre - fotonokat (energiakvantumokat) bocsátanak ki. Nagyobb feszültség hatására nagyobb a kisugárzott fotonok mennyisége, egészen egy bizonyos nyitóirányú áramértékig, ahonnan már nem számottevő a változás.

A sugárzás csak úgy jöhet létre, ha az elektronok átkerülnek a nagy energiájú vezetési sávból a kisebb energiájú vegyértéksávba. Az elektron ezen állapota nem stabil, egy kis idő elteltével visszaugrik az eredeti elektronpályájára. A többletenergia, amivel előzőleg képes volt feljebb lépni, sugárzás formájában hagyja el az atomot.

Ez a sugárzás a hullámhossztól függő fény formájában jelentkezik.

A fotodióda éppen fordítva működik, mint a LED.

A záró irányban előfeszített pn átmeneten csak a hőmérséklet általi gerjesztés hatására létrejövő elektron-lyuk párok okozta visszáram folyik. A kötött elektronokat azonban nemcsak a hőmérsékletből származó energia szakíthatja ki a kötésből, és juttathatja a vezetési sávba, hanem a fény fotonjai is. Ha a záró réteget olyan módon helyezzük el, hogy a beeső fény behatolási mélységével összemérhető legyen a vastagsága, a záróáram nagymértékben növelhető fény hatására.

Mivel az elektronok gerjesztéséhez éppen a tiltott sáv energiakülönbségére van szükség, az ennek megfelelő energiájú fotonok tudják létrehozni az elektron-lyuk párokat. Ennek az energiának megfelelő hullámhosszúságú fényre lesz érzékeny az így kialakított dióda.

LED-et különböző fényjelzésekre és világításra, a fotodiódát fényérzékelésre és elektromos jeladásra használunk. Infravörös LED van például a tv-távirányítókban, és az ezt érzékelő infravörös fotodióda a tv-készülékben.

LED-fotodióda páros alkotja az optocsatolókat, amelyekben a két eszköz egymásra néz. Optocsatolókat a digitális technikában használunk elektromágnesesen zavarmentes átvitelhez; pl. egyes hangszerek vezérlésének összekapcsolásához a midiben.