Quando due semiconduttori diversi vengono messi a contatto l'uno all'altro, si realizza una struttura comunemente indicata come "giunzione". In particolare si fa riferimento alle giunzioni P-N realizzate mettendo insieme due semiconduttori drogati uno di tipo P ed uno di tipo N.

Tali strutture, realizzate con semiconduttori dello stesso tipo, sono anche indicate come "omostrutture" per distinguerle dalle "eterostrutture" che sono realizzate mettendo insieme semiconduttori di natura diversa; in questo caso le giunzioni prendono il nome di "eterogiunzioni".

All'atto della formazione della giunzione stessa, la situazione è quella illustrata in figura 4.1.1:

Fig 4.1.1 - Nella figura viene illustrata la situazione di partenza all'atto della costruzione di una giunzione P-N .Sono evidenziati i livelli di Fermi Efp nella zona drogata di tipo P e Efn nella zona drogata di tipo N.

Questa situazione non è di equilibrio, in quanto gli elettroni tendono a muoversi, per diffusione, nella zona P, dove sono in numero notevolmente inferiore. La situazione è la stessa per le lacune, che diffonderanno dalla zona P alla zona N.

Diventa così altamente probabile la ricombinazione elettrone lacuna, nelle vicinanze della giunzione. Nella ricombinazione si avrà la restituzione, sotto varie forme, di una quantità di energia Eg pari all'ampiezza della banda proibita. Ad esempio, nei diodi composti da Arseniuro di Gallio (GaAs) questa energia verrà emessa sotto forma di fotoni di frequenza

dove h è la costante di Planck.

Il processo di diffusione in realtà si arresta ben presto. Gli elettroni e le lacune, nel loro moto, lasciano dietro di se gli ioni positivi degli atomi donori e gli ioni negativi degli atomi accettori. Il campo elettrostatico dovuto a queste cariche, immobili nel reticolo, si oppone al moto di diffusione deformando le bande di valenza e di conduzione, come viene illustrato in figura 4.1.2.

Fig.4.1.2 - Viene evidenziata la deformazione delle bande, una volta raggiunto l'equilibrio in una giunzione. Si noti il livellamento delle energie di Fermi.

Nella nuova condizione di equilibrio, che si raggiunge quando i livelli di Fermi saranno uguali, sarà difficile per gli elettroni "arrampicarsi" lungo la banda di conduzione, così come sarà difficile muoversi per le lacune.

Nelle immediate vicinanze della giunzione verrà a crearsi una zona vuota di portatori (depletion layer) con profondità complessiva W_d , che si estenderà nelle zone N e P in maniera inversamente proporzionale al drogaggio. E' evidente che il numero degli ioni positivi, da una parte, deve essere uguale a quello degli ioni negativi dall'altra, per la neutralità della carica spaziale.

Chiamando W_n e W_p l'estensione della zona di svuotamento nelle parti drogate di tipo N e P, rispettivamente, abbiamo dunque

con N_d ad indicare la densità degli atomi "donori", e N_a quella degli atomi "accettori".

La zona di svuotamento complessiva sarà, dunque

Possiamo anche esprimere W_n e W_p in funzione della estensione della zona di svuotamento complessiva W_d e delle densità di drogaggio N_d e N_a , ottenendo:

E' ovvio che in condizioni di pari drogaggio, la situazione è simmetrica.

Fig. 4.1.3 - Le estensioni della zona di svuotamento Wn (in verde), nella zona drogata di tipo N, e della Wp (in celeste), nella zona drogata di tipo P, sono tali da soddisfare il principio della neutralità di carica. La carica positiva da un lato deve necessariamente uguagliare la carica negativa dall'altra.

L'estensione della zona di svuotamento in ogni lato della giunzione dipende dal t , cioè dal tempo di vita media dei portatori, al termine del quale esse si ricombinano. In questo tempo percorrono una distanza che possiamo esprimere come:

L_n e L_p sono le lunghezze di diffusione nella zona N e zona P, mentre t_n e t_p sono i tempi di vita media rispettivamente degli elettroni e delle lacune. D_n e D_p sono i coefficienti di diffusione.

Anche le cariche minoritarie si sposteranno per effetto del campo elettrostatico ad esse favorevole, ma anche questo processo viene ad essere bloccato per effetto della repulsione delle cariche maggioritarie, dello stesso segno.

All'equilibrio il numero di cariche di un segno che attraversa la giunzione in un verso è uguale al numero di cariche che l'attraversa in verso opposto

Se il polo positivo di un generatore è applicato alla zona tipo N e quello negativo alla zona P, si dirà che la giunzione è polarizzata inversamente. In questa situazione il campo elettrico svuoterà le due zone dei portatori maggioritari ed accentuerà l'inclinazione delle bande, aumentando l'estensione della Wp e Wn:

Fig. 4.2.1 - La polarizzazione inversa di una giunzione causa l'allargamento della zona di svuotamento (in rosso nella figura), mantenendo sempre valido il principio della neutralità di carica.

Fig. 4.2.2 - Nella polarizzazione inversa si avrà una accentuazione dell'inclinazione delle bande, ai lati della giunzione, e la corrente sarà dovuta solo alle cariche minoritarie, che trovano condizioni a loro favorevoli.

Le cariche minoritarie saranno le uniche responsabili del flusso di corrente attraverso la giunzione. Tale valore di corrente è di norma trascurabile, ma ha una forte dipendenza diretta dalla temperatura. Un aumento ulteriore della tensione inversa aumenterà soltanto l'inclinazione delle bande.

Lungo queste bande fortemente inclinate, è molto facile che le cariche acquistino, tra un urto e l'altro, energie sufficienti a creare nuove coppie elettrone-lacuna, determinando un effetto a valanga e aumentando fortemente la corrente inversa, se il campo elettrico raggiunge valori particolari.

Questo è il tipico comportamento dei diodi "Zener", nei quali si hanno grandi variazioni di corrente per piccole variazioni della tensione inversa di polarizzazione. Questa proprietà viene sfruttata, essenzialmente, per stabilizzare le tensioni.

Collegando un diodo "Zener" in parallelo ad un carico, in modo che sia polarizzato inversamente, le variazioni di corrente saranno assorbite dal diodo stesso, mentre la tensione rimane pressocchè costante.

Invertendo la polarità della tensione applicata, positiva nella zona P e negativa nella zona N, la giunzione verrà polarizzata direttamente. In queste condizioni il campo elettrico esterno si opporrà a quello dovuto agli ioni fissi nella zona di svuotamento, tendendo a livellare le bande.

Fig. 4.2.3 - Quando la polarizzazione diretta avrà equilibrato le bande, annullando l'effetto degli ioni fissi all'interno della giunzione, la corrente potrà fluire tranquillamente attraverso la giunzione stessa.

Quando il campo elettrico esterno eguaglierà quello interno, le bande torneranno ad essere in piano. Oltre questo valore le cariche possono tranquillamente fluire attraverso la giunzione con intensità di corrente di molto superiore a quella inversa di saturazione, essendo dovuta al moto delle cariche maggioritarie. Si avrà, pertanto, una forte ricombinazione elettrone-lacuna in prossimità della giunzione.

La corrente potrà fluire solo in una direzione, essendo la corrente inversa trascurabile, solo se la tensione diretta, applicata alla giunzione, supera una certa soglia necessaria a livellare le bande. Il valore di tale soglia dipende solo dal tipo di materiale usato e vale intorno a 0.2 V per il Germanio (Ge), 0.6 V per il Silicio (Si) e 1.5 V per l'Arseniuro di Gallio (GaAs).

I dispositivi che hanno tali caratteristiche di unidirezionalità, realizzati quindi con una giunzione, vengono comunemente indicati come "DIODI".