ГЕНЕРАЦИЯ И РЕКОМБИНАЦИЯ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА

Свободные носители заряда в полупроводниках образуются в результате отрыва электронов от собственных или примесных атомов. Этот процесс называется генерацией носителей и на энергетической диаграмме представляется следующим образом (рис. 7.1).

Рекомбинация состоит в исчезновении пары свободных носителей и образовании заполненной химической связи между собственными атомами.

Рис. 7.2. Два механизма рекомбинации электронов и дырок

Дрейф и диффузия

В полупроводнике возможны два механизма движения зарядов (создания тока): дрейф и диффузия.

Дрейф- это движение носителей заряда под влиянием электрического поля. Если между двумя точками есть разность потенциалов j, то градиент потенциала Е=dj/dx называется напряженностью поля.

Рассмотрим обьем полупроводника, в котором имеются свободные электроны и дырки, к которому, приложено внешнее напряжение U, создающее в нем электрическое поле напряженностью Е. Электроны движутся от меньшего потенциала к большему, а дырки навстречу. Плотность полного дрейфового тока состоит из электронной и дырочной составляющих:

,

где: - плотность полного дрейфового тока; и - электронная и дырочная составляющая ; -V_n, V_p – средняя скорость электронов и дырок; q_e, q_p – заряд электронов и дырок в единице объма полупроводника; n, p – концентрация электронов и дырок в полупроводнике; е, -е – заряд дырки и электрона; _n, _р – подвижности электронов и дырок (m=V/ E); E- напряжённость электрического поля. Отсюда:

где - удельная электропроводность полупроводника.

Здесь – подвижности электронов и дырок; их значения для германия и кремния приведены в таблице 2.1.

Диффузия - это движение носителей под действием градиента концентрации. Если в полупроводнике в направлении х имеется не равномерное распределение концентрации заряда, то под действием теплового движения (которое направлено на выравнивание концентрации) возникнет движение зарядов из области высокой концентрации заряда в область низкой. Градиентом концентрации электронов называют производную по направлению - dn/dx, а градиентом концентрации дырок - dр/dх. Диффузия всегда происходит из области большей концентрации в область меньшей. Плотность тока диффузии дырок и электронов пропорциональна градиенту концентрации т.е. :

(2.13)

где q -заряд электрона, Dp и Dn - коэффициенты диффузии электронов и дырок. Подвижности и коэффициенты диффузии связаны соотношением Эйнштейна: Dp = jтmn, Dn = jтmp, где jт- температурный потенциал.

Если электроны и дырки движутся в одну сторону, то это токи встречные, поэтому и появляется знак минус в одной из формул (2.13).

В общем случае могут присутствовать все четыре составляющих, тогда плотность полного тока равна векторной сумме:

In.др +Ip.др+ In.диф+Ip.диф =0 (2.16)

Основные параметры процесса диффузии. Диффузия характеризуется:

а) Временем жизни неравновесных (избыточных) носителей заряда τn.

Если, за счёт какого-либо внешнего воздействия, в одной из областей полупроводника создается неравновесная концентрация носителей заряда n, превышающая равновесную концентрацию no, (разность ∆n = п-по называется избыточной концентрацией), то после отключения этого воздействия, за счет диффузии и рекомбинация, избыточный заряд будет убывать по закону n(t)= n0+(n-n0)e-t/t. Это приводит к выравниванию концентраций по всему объёму проводника. Время τ, в течение, которого избыточная концентрация ∆n уменьшится в e =2,72 раза (е - основание натуральных логарифмов), называется временем жизни неравновесных носителей.

б) Диффузионная длина.

Если в объме полупроводника левее х<0 создать и поддерживать избыточную концентрацию ∆n = п-по , то за счет диффузии она начнет проникать в область х>0, одновременно рекомбинируя, а следовательно убывая, по закону n(x)=n0+∆ne-x/Ln Расстояние, Ln на котором избыточная концентрация ∆n = п-по убывает от своего начального значения в e раз называется диффузионной длиной.

Диффузионная длина и время жизни неравновесных носителей заряда связаны соотношением

Ln=(Dn τn)1/2,

где Dn- коэффициент диффузии.

В полупроводниковых приборах размеры кристалла конечны, и на его границе (x=W) нерекомбинировавшие носители удаляются. Тогда граничные условия имеют вид n(x=0)=n0+∆n, n(x=W)=n0), где W— длина кристалла. Ecли W<<Ln, то решение уравнения (2.7) записывается в виде

n(x)=n0+∆n(1- (x/W))

Закон распределения носителей в этом случае линеен (рис. 2.2).

Поиск по сайту: