Меню

Чем обусловлен дрейфовый ток в полупроводниках

Диффузионный и дрейфовый ток

Дрейфовый ток в полупроводнике – это ток, возникающий за счет приложенного электрического поля. При этом электроны движутся навстречу линиям напряженности поля, а дырки по направлению линий напряженности поля. Диффузионный ток это ток, возникающий из-за неравномерной концентрации носителей заряда. n2>n1. n2-n1= .

Отношение — это градиент неравномерности концентрации примесей. Величина диффузионного тока будет определяться градиентом неравномерности и будет составлять ; ; где коэффициенты диффузии.

4. Потенциальный барьер в p – n — переходе. Распределение концентрации электронов и дырок, заряда, напряженности на границе p-n перехода.

При возникновении контакта двух полупроводников (в одном из которых высока концентрация дырок (p-тип), а в другом — свободных электронов (n-тип)) вследствие теплового движения начинается диффузия основных носителей заряда из «родного» полупроводника в соседний, где концентрация таких частиц во много раз меньше. Дырки переходят из p-полупроводника в n-полупроводник, электроны — из n- в p-полупроводник.

В результате диффузии электронов из n-области в дырочную и дырок из p-области в электронную на границе между этими областями образуется двойной слой разноименных зарядов. И тогда контактная разность потенциалов, которая в случае pn-перехода выше, чем на контакте “металл-полупроводник” составляет 0,4. 0,8В.

При этом, также как и в случае контакта «металл-полупроводник», на границе возникает электрическое поле, препятствующее дальнейшему переходу носителей заряда. То есть, в приграничной области происходит изгиб зон таким образом, что для перехода из одного полупроводника в другой носителям требуется дополнительная энергия. В p-полупроводнике зоны изгибаются вниз, создавая потенциальный барьер для дырок, в n-полупроводнике изгибаются вверх — потенциальный барьер для электронов.

В приграничном слое возникает динамическое равновесие: рекомбинирующие носители заменяются новыми, но общее количество носителей остается постоянным.

При прямом смещении, когда положительный потенциал подан на p-область, дырки устремляются навстречу электронам, которые, преодолевая пониженный потенциальный барьер в области pn-перехода, попадают в p-область. При этом происходит рекомбинация электронов и дырок. Вследствие этого «чужие» носители заряда не проникают глубь полупроводников, погибая в области pn-перехода. Протекание тока при этом можно представить в виде двух потоков — электронов и дырок, которые втекают в область рекомбинации с противоположных сторон. С увеличением напряжения возрастают скорости втекающих электронов и дырок и, соответственно, скорость их рекомбинации.

5. Электронно-дырочный переход при приложении прямого и обратного напряжения.

Приложим внешнее напряжение плюсом к p-области. Внешнее электрическое поле направлено навстречу внутреннему полю p-n перехода, что приводит к уменьшению потенциального барьера. Основные носители зарядов легко смогут преодолевать потенциальный барьер, и поэтому через p-n переход будет протекать сравнительно большой ток, вызванный основными носителями заряда.

Такое включение p-n перехода называется прямым, и ток через p-n переход, вызванный основными носителями заряда, также называется прямым током. Считается, что при прямом включении p-n переход открыт. Если подключить внешнее напряжение минусом на p-область, а плюсом на n-область, то возникает внешнее электрическое поле, линии напряженности которого совпадают с внутренним полем p-n перехода. В результате это приведет к увеличению потенциального барьера и ширины p-n перехода. Основные носители заряда не смогут преодолеть p-n переход, и считается, что p-n переход закрыт. Оба поля – и внутреннее и внешнее – являются ускоряющими для неосновных носителей заряда, поэтому неосновные носители заряда будут проходить через p-n переход, образуя очень маленький ток, который называется обратным током. Такое включение p-n перехода также называется обратным.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник

Дрейфовый и диффузный токи в полупроводнике

date image2015-05-26
views image11007

facebook icon vkontakte icon twitter icon odnoklasniki icon

Ток в полупроводнике появляется как следствие направленного перемещения носителей заряда. Различают два возможных случая появления тока в полупроводнике.

Ток, обусловленный внешним электрическим полем, получил название дрейфового тока.

Ток, возникающий в результате диффузии носителей из области, где их концентрация повышена, в направлении области с более низкой концентрацией, называется диффузным бездрейфовым током.

Механизм возникновения диффузного тока можно объяснить так. Пусть по каким-либо причинам концентрация электронов в различных точках полупроводника неодинакова. Очевидно, что вероятность столкновения электронов друг с другом больше там, где концентрация их выше. Поэтому электрон, совершая хаотическое тепловое движение, в соответствии с общими законами теплового движения будет стремиться перейти в область меньших столкновений. В результате носители заряда, совершающие тепловое движение, будут смещаться из области с большей концентрацией в область с меньшей концентрацией их, что приведет к возникновению диффузного тока.

Читайте также:  Классификация электрорадиоматериалов по степени проводимости электрического тока

2.6 Формирование контакта полупроводник — полупроводник. Электронно-дырочный переход

Все электрические контакты можно разделить на три основные группы: омические, нелинейные и инжектирующие. В зависимости от назначения контакта к нему предъявляются различные требова­ния. Так, омический контакт должен обладать очень малым пере­ходным сопротивлением, не искажать форму передаваемого сигнала, не создавать шумов, иметь линейную вольтамперную характеристику. Подобные контакты необ­ходимы для соединения элементов схемы друг с другом, с источника­ми питания и т. д.

Нелинейные контакты исполь­зуются для преобразования электрических сигналов (выпрямление, детектирование, генерирование и т. п.). Они имеют резко нелинейную вольтамперную характери­стику, форма которой определяется конкретным назначением со­ответствующего прибора. Инжектирующие контакты обладают спо­собностью направлять носители зарядов только в одну сторону. Этот тип контактов широко используется в полупроводниковых приборах, например, в биполярных транзисторах (гл. 6).

Наибольшее распространение в полупроводниковой технике и микроэлектронике получили контакты типа полупроводник — полупроводник, а физические явления, происходящие в зоне этих контактов, лежат в основе работы большинства полупроводниковых приборов.

Электрический переход между двумя областями полупроводника, одна из которых имеет электропроводность n-типа, а другая p-ти­па, называют электронно-дырочным, или p-n переходом (рис. 3.1).

Электронно-дырочный переход нельзя создать простым сопри­косновением пластин n- и p-типа, так как при этом неизбежен проме­жуточный слой воздуха, окислов или поверхностных загрязнений. Эти переходы получают вплавлением или диффузией соответству­ющих примесей в пластинки монокристалла полупроводника, а так­же путем выращивания p-n перехода из расплава полупроводника с регулируемым количеством примесей. В зависимости от способа изготовления p-n переходы бывают сплавными, диффузионными и др. Рассмотрим явления, возникающие при электрическом контакте между полупроводниками n- и p-типа с одинаковой концентрацией донорных и акцепторных примесей (рис. 3.2, а). Допустим, что на границе раздела (сечение х) тип примесей резко изменяется (рис. 3.2, б) 1 .

Существование электронно-дырочного перехода обусловлено раз­личием в концентрации подвижных носителей заряда электронной и дырочной областей. В электронной части полупроводника кон­центрация электронов в соответствии с (2.15), а концентра­ция дырок в соответствии с (2.18).

2.7 Свойства p-n перехода при наличии внешнего напряжения

При нарушении равновесия электронно-дырочного перехода внешним электрическим полем через него начинает протекать ток. Характер токопрохождения и величина тока оказываются различными в зависимости от полярности приложенного напряжения.

Рассмотрим случай, когда внешнее напряжение противоположно по знаку контактной разности потенциалов (рис. 3.5, а). В этом случае источник включается так, что поле, создаваемое внешним напряжением в p–n переходе, направлено навстречу собственному полю p–n перехода. Такое включение называют прямым. Оно приводит к снижению высоты потенциального барьера. Основные носители заряда получают возможность приблизиться к контакту, скомпенсировав заряд примесей. Поэтому ширина p–n перехода уменьшится.

Из рис. 3.5, б видно, что для этого случая уровень Ферми в n-области поднимется, а в p-области опускается. Часть основных носителей, имеющих наибольшее значение энергии, сможет преодолеть сравнительно узкий и невысокий потенциальный барьер и перейти границу, разделяющую полупроводники n- и p-типа. Это приводит к нарушению равновесия между дрейфовым и диффузионными токами. Диффузионная составляющая тока становиться больше дрейфовой, и результирующий прямой ток через переход оказывается отличным от нуля.

По мере увеличения внешнего прямого напряжения прямой ток через переход может возрасти до весьма больших значений, так как он обусловлен главным образом движением основных носителей, концентрация которых в обеих областях велика.

Нетрудно заметить, что преодолевшие потенциальный барьер носители заряда попадают в область полупроводника, для которой они являются неосновными.

Процесс введения носителей заряда через электронно-дырочный переход при понижении высоты потенциального барьера в область полупроводника, где эти носители заряда являются неосновными, называется инжекцией (от английского слова inject – впрыскивать).

Инжектированные носители диффундируют вглубь соответствующей области полупроводника, рекомбинируя с основными носителями этой области. Так, по мере проникновения дырок из p-области в n-область они рекомбинируют с электронами, в результате чего диффузный дырочный ток Ipдиф n-области постепенно спадает до нуля. Однако это вовсе не означает, что ток в цепи не прекращается. Под действием внешнего электрического поля поступающие от источника в n-область электроны продвигаются к переходу, создавая электронный ток In. По мере приближения к переходу этот ток вследствие рекомбинации с дырками падает до нуля. Суммарный ток в n-области I = Ip + In во всех точках полупроводника n-типа остается неизменным. Одновременно с инжекцией дырок в n-область происходит инжекция электронов в p-область. Протекающие при этом процессы аналогичны.

Читайте также:  Параллельная цепь переменного тока расчет цепи методом проводимостей

Рассмотрим теперь свойства p–n перехода, к которому подключено обратное внешнее напряжение (рис. 3.7, а)

При этом электрическое поле, создаваемое источником, совпадает с полем p–n перехода. Потенциальный барьер между p- и n-областями возрастает. Он теперь становится равным φк + U. Количество основных носителей, способных преодолеть действие результирующего поля, уменьшается. Соответственно уменьшается и ток диффузии основных носителей заряда. Под действием электрического поля, создаваемого внешним источником, основные носители будут оттягиваться от приконтактных слоев вглубь полупроводника. В результате ширина p–n перехода увеличивается (рис. 3.7, б).

При обратном включении преобладающую роль играет дрейфовый ток, который имеет небольшую величину, так как он создается движением неосновных носителей. Этот ток получил название обратного тока:

Величина обратного тока практически не зависит от внешнего обратного напряжения. Это можно объяснить тем, что в единицу времени количество генерируемых пар электрон – дырка при неизменной температуре остается неизменным.

Источник

Дрейфовый и диффузионный токи в полупроводнике.

Ток в полупроводнике появляется как следствие направленного пере-мещения носителей заряда. Различают два возможных случая появления тока в полупроводнике. Ток, обусловленный внешним электрическим полем, получил название дрейфового тока. Ток, возникающий в результате диффу-зии носителей из области, где их концентрация повышена, в направлении области с более низкой концентрацией, называется диффузионным бездрей-фовым током. Неравномерность концентрации носителей зарядов в полу-проводнике может возникнуть под действием света, нагревания, электричес-кого поля и т.д.

Обозначив в общем случае концентрацию электронов в полупроводни-ке n , а концентрацию дырок p, с учетом (3.5.5) и (3.5.6) найдем, что плот-ность электронного дрейфового тока

А плотность дырочного дрейфового тока

Суммарная плотность дрейфового тока электронов и дырок

Механизм возникновения диффузионного тока можно объяснить так. Пусть по каким либо причинам концентрация электронов в различных точках полупроводника не одинакова. Очевидно, что вероятность столкновения электронов друг с другом выше там, где выше концентрация их. Поэтому, электрон, совершая хаотическое тепловое движение, в соответствии с общими законами теплового движения будет стремиться перейти в область меньших столкновений, В результате носители заряда, совершающие тепловое движение, будут смещаться из области с большей концентрацией в область с меньшей их концентрацией , что и приведет к возникновению диффузионного тока.

Плотность диффузионного тока пропорциональна отношению измене-ния концентрации (Δn или Δp)к изменению расстояния (Δх), на котором наблюдается это явление. Отношения и получили название градиентов концентрациисоответственно для электронов и дырок. Более точно градиенты концентрации для электронов и дырок могут быть записаны в виде

Плотность диффузионного тока электронов и дырок определяется следующими соотношениями:

Jр диф , (3.8.6)

где DnиDp– коэффициенты диффузии соответственно электронов и дырок, зависящие от типа полупроводника, концентрации примесей, температуры и состояния кристаллической решетки, см 2 /с. При комнатной температуре коэффициенты диффузии :

Dn» 100 см 2 /с , Dр» 47 см 2 /с ;

Dn» 30 см 2 /с , Dр» 13 см 2 /с .

Таким образом, в общем случае в полупроводнике следует рассматривать четыре составляющих тока: дрейфовый и диффузионный для носителей каждого знака.

Общая плотность тока в полупроводнике

Знак минус перед четвертым слагаемым означает, что диффузия проис-ходит в направлении уменьшения концентрации , а поскольку дырки несут положительный заряд , то диффузионный ток должен быть положительным при .

Если с помощью какого либо внешнего воздействия динамическое равновесие концентраций электронов и дырок в полупроводнике нарушено, то появляется дополнительная неравновеснаяконцентрация носителей заря-да. После прекращения внешнего воздействия происходит процесс рекомби-нации, и полупроводник приходит в равновесие.

Среднее время существования носителей заряда в полупроводнике обычно называют временем жизни носителей, среднее расстояние, которое проходят за это время носители, называют диффузионной длиной носите-лей заряда.

Диффузионная длина L и время жизни носителей t связаны между собой следующими отношениями :

Величина , обратная времени жизни носителей, определяет скорость рекомбинации.

Напомним, что различают несколько видов рекомбинации носителей в полупроводниках. В самом простом случае рекомбинация может рассматриваться как прямой переход электрона из зоны проводимости в валентную зону на имеющийся там свободный уровень (рис. 3.8.1,а).

Разность энергии выделяется при этом в виде кванта электромагнитного излучения либо передается кристаллической решетке в виде механических колебаний. Другой возможный путь рекомбинации, который мы уже обсуждали ранее, связан с поэтапным переходом электрона через запрещенную зону с использованием промежуточных уровней, получивших название центров рекомбинации или ловушек. Наличие в полупроводнике центров рекомбинации позволяет резко уменьшить время жизни носителей зарядов, что необходимо для создания быстродействующих полупроводниковых приборов.

Читайте также:  Как считать силу тока в сети

В заключение отметим, что в отличие от собственных полупроводников, в которых проводимость осуществляется одновременно электронами и дырками, в примесных полупроводниках проводимость обуславливается в основном носителями одного знака : электронами в полупроводниках донор-ного типа и дырками в полупроводниках акцепторного типа. Эти носители называют основными.

Помимо них полупроводники всегда содержат и неосновные носители: донорный полупроводник – дырки, акцепторный полупроводник – электроны.

Вопросы для повторения:

1. Какие вещества относятся к полупроводникам. Классификация полупроводников.

2. Дайте определение собственного полупроводника.

3. Дайте определение примесного полупроводника.

4. Что такое энергия Ферми?

5. Опишите процесс генерации носителей зарядов.

6. Какие виды рекомбинации вы знаете?

7. Какую проводимость мы называем собственной.

8. Дайте определение эффективной массы носителей заряда

9. Какие виды примесных уровней вы знаете?

10. Дайте определение примесной проводимости.

11. На температурной зависимости проводимости примесного полупроводника укажите примесную область, область истощения и область собственной проводимости.

12. Как меняется с температурой положения уровня Ферми в донорном и примесном полупроводниках.

13. Что такое дрейфовый ток?

14. Что такое диффузионный ток?

15. Как связаны между собой диффузионная длина и время жизни носителей заряда?

Резюме по теме:

В процессе изучения темы мы ознакомились с широким классом веществ – полупроводниками и некоторыми понятиями и разделами физики полупроводников.

Источник



1.4. Дрейфовый и диффузионный токи в полупроводниках

Электрический ток может возникнуть в полупроводнике только при направленном движении носителей заряда, которое создается либо под воздействием электрического поля (дрейф), либо вследствие неравномерного распределения носителей заряда по объему кристалла (диффузия).

Если электрическое поле отсутствует, и носители заряда имеют в кристалле равномерную концентрацию, то электроны и дырки совершают непрерывное хаотическое тепловое движение. В результате столкновения носителей заряда друг с другом и с атомами кристаллической решетки скорость и направление их движения все время изменяются, так что тока в кристалле не будет.

Под действием приложенного к кристаллу напряжения в нем возникает электрическое поле. Движение носителей заряда упорядочивается: электроны перемещаются по направлению к положительному электроду, дырки – к отрицательному. При этом не прекращается и тепловое движение носителей заряда, вследствие которого происходят столкновения их с атомами полупроводника и примеси.

Направленное движение носителей заряда под действием сил электрического поля называют дрейфом, а вызванный этим движением ток – дрейфовым током. При этом характер тока может быть электронным, если он вызван движением электронов, или дырочным, если он создается направленным перемещением дырок.

Средняя скорость носителей заряда в электрическом поле прямо пропорциональна напряженности электрического поля:

Коэффициент пропорциональности m называют подвижностью электронов (mn), или дырок (mp). Свободные электроны движутся в пространстве между узлами кристаллической решетки, а дырки – по ковалентным связям, поэтому средняя скорость, а следовательно, и подвижность электронов больше, чем дырок. У кремния подвижность носителей заряда меньше, чем у германия.

В собственных полупроводниках концентрации электронов и дырок одинаковы, но вследствие их разной подвижности электронная составляющая тока больше дырочной. В примесных полупроводниках концентрации электронов и дырок существенно отличаются, характер тока определяется основными носителями заряда: в полупроводниках р-типа – дырками, а в полупроводниках n-типа – электронами.

Направленное движение носителей заряда из слоя с более высокой их концентрацией в слой, где концентрация ниже, называют диффузией, а ток, вызванный этим явлением, – диффузионным током. Этот ток, как и дрейфовый, может быть электронным или дырочным.

Степень неравномерности распределения носителей заряда характеризуется градиентом концентрации; его определяют как отношение изменения концентрации к изменению расстояния, на котором оно происходит. Чем больше градиент концентрации, т.е. чем резче она изменяется, тем больше диффузионный ток.

Электроны, перемещаясь из слоя с высокой концентрацией в слой с более низкой концентрацией, по мере продвижения рекомбинируют с дырками, и наоборот, диффундирующие в слой с пониженной концентрацией дырки рекомбинируют с электронами. При этом избыточная концентрация носителей заряда уменьшается.

Источник