Токи в полупроводниках. Дрейф и диффузия.

В полупроводнике возможны два механизма движения электрических зарядов:

1) Дрейф - движение носителей заряда под действием электрического поля.

Ток, возникающий под действием электрического поля – дрейфовый. Рассмотрим плотность такого тока:

I_др = I_{n др} + I_{p др} = е·n·μ_n·E + e·p·μ_p·E = (e·n·μ_n + e·p·μ_p)E, где

δ=(e·n·μ_n + e·p·μ_p) – удельная полу проводимость полупроводника,

e: +e – заряд дырки, -e – заряд электрона, n,p – концентрация электронов и дырок соответственно.

2) Диффузия – движение свободных носителей заряда под действием их градиента концентрации, то есть под действием сил, возникающих из-за их неравномерного распределения по объему проводника.

Знак “-“ говорит о том, что движение направлено в сторону с меньшей концентрацией. D – коэффициент диффузии, аналог подвижности. dn/dx – градиент концентрации равный grad n.

Процесс диффузии характеризуется двумя основными параметрами:

1) τ_n - время жизни избыточных, неравновесных носителей заряда. Если в какой-либо области проводника создать избыточную концентрацию, а затем устранить причину её создавшую, то под действием сил диффузии, избыточная концентрация начнёт убывать, до выравнивания по всему объёму. Время, за которое n₀ убывает в e раз (время за которое произойдет выравнивание), называется временем жизни неравновесных зарядов.

2) Диффузионная длина L_n – расстояние, на которое проникают избыточные заряды за счет диффузии.

Электрические переходы.

Переходный слой между двумя областями полупроводника, обладающими различными электрическими свойствами называется электрическим переходом.

Различают следующие переходы:

1) p-n-переход – переходной слой между областями с разным видом проводимости.

2) Электронно-электронный

Дырочно-дырочный

Переходный слой между областями с различной концентрацией примеси (+ - с высокой концентрацией).

3) Металло-полупроводниковый. В зависимости от соотношения между работами выхода металла и полупроводника на границе «металл-полупроводник» (A_Me > < A_п/п) возникает два вида переходов:

а) Омический контакт – переходной слой, обладающий малым сопротивлением, независимо от полярности напряжения на нем. Используется для проведения электрических сигналов к полупроводникам.

б) Выпрямительный контакт – такой электрический переход обладает односторонней проводимостью и применяется в диодах Шотки.

P-n-переход (Электронно-дырочный).

P-n переход невозможно создать механическим контактом двух полупроводников разного типа, так как:

1. Поверхность полупроводников покрыта слоями окисла, являющегося диэлектриком.

2. Между полупроводниками всегда сохраняется воздушный зазор, больший, чем межатомное расстояние.

Основные способы получения p-n-перехода:

1. Сплавной метод (в пластину полупроводника вплавляется металл или сплав, содержащий необходимую примесь).

2. Диффузионный метод.

Образование p-n-перехода в равновесном состоянии.

На границе p и n областей имеет место градиент концентрации свободных носителей зарядов. За счет диффузии электроны из n области переходят в p и рекомбинируют (взаимоуничтожаются) там с дырками. Дырки переходят из n в p, рекомбинируя с электронами. В результате вблизи границы в p-области возникает отрицательный заряд, образованный ионами акцепторной примеси, а в n – положительный заряд, образованный ионами донорной примеси. Между зарядами возникают разность потенциалов «φ_к» и электрическое поле с напряженностью Е_к. Это поле препятствует диффузии свободных носителей заряда из глубины p и n областей через p-n-переход.

Область, объединенная свободными носителями заряда на границе p-n областей – p-n-переход.

P-n-переход считается равновесным, если отсутствует внешнее напряжение, приложенное к нему. В равновесном состоянии через p-n-переход движутся два встречных потока зарядов (два тока):

1. Дрейфовый ток неосновных носителей заряда

2. Диффузионный ток, связанный с основными носителями заряда.

Так как внешнее напряжение отсутствует, то эти токи взаимоуравниваются, и результирующий ток через p-n-переход равен «0».

I_pn = I_диф + I_др = 0.

Это соотношение называют условием динамического равновесия токов в p-n-переходе.

Основные параметры p-n-перехода.

1. Контактная разность потенциалов:

, где

- концентрация электронов собственного полупроводника (зависит от температуры),

N_aN_d – концентрация акцепторной (и донорной) примеси соответственно,

– температурный потенциал (равен 25мВ при Т=300 градусов по Кельвину),

– энергия, которую должны приобрести свободные носители заряда, чтобы преодолеть электрическое поле (потенциальный барьер) p-n-перехода.

2. Ширина p-n-перехода: l_pn = l_p + l_n

p-n-переход состоит из двух областей:

-Если N_a=N_d, то l_p=l_n и переход называется симметричным.

-Если N_a> <N_d, то l_p> <l_n (противоположное соотношение), такой переход несимметричен, причем сам переход располагается в области с меньшей концентрацией примеси (слабоконцентрированной).

P-n-переход при внешнем напряжении приложенном к нему.

Внешнее напряжение, приложенное к p-n-переходу, нарушает динамическое равновесие токов, отсюда p-n-переход переходит в неравновесное состояние.

1)P-n-переход считается смещенным в обратном направлении, если к p-области приложен «-», а к n-области – «+» внешнего источника напряжения.

Напряжение направлено согласно с φ_к, а потому результирующее напряжение на p-n-переходе равно их сумме: U_pn = U + φ_k. Это увеличивает E электрического поля, ширина p-n-перехода возрастает, процесс диффузии полностью прекращается через p-n-переход протекает обратный ток:

I_pn = I_обр = I₀ – это тепловой ток неосновных носителей заряда I₀. I_диф обращается в ноль. Величина теплового тока зависит от:

а) Температуры окружающей среды:

Поскольку обратный ток связан с не основными носителями заряда, а их концентрация мала, то величина I₀ принимает малые значения. Т⁰- текущая температура p-n-перехода, -исходное значение температуры окружающей среды, - температура удвоения теплового тока.(5⁰-6⁰С для Si, 9⁰-10⁰С для Ge, отсюда I₀ p-n-перехода из Si сильнее зависит от температуры, чем из Ge).

б) I₀ зависит от материала p-n-перехода.

( )<< ( ) (в 1000 и более раз).

2)p-n-переход смещен в прямом направлении, если к p приложен «+», а к n – «-».

Такое напряжение направлено встречно φ_к, а потому результирующее напряжение на p-n-переходе уменьшается до величины: U_pn= φ_к-U, это уменьшает E электрического поля, p-n-переход сужается. Возобновляется процесс диффузии основных носителей заряда. Через p-n-переход протекает прямой ток: I_pn=I_прямой=I_диф (ток диффузии основных носителей заряда).

При возрастании напряжения диффузионный ток резко возрастает и может достигать больших значений, поскольку он связан с основными носителями заряда, концентрация которых велика.

ВАХ p-n-перехода.

Зависимость тока через p-n-переход от напряжения на нем:I=f(U) равна:

Главное свойство p-n-перехода – односторонняя проводимость. ВАХ p-n-перехода обладает выпрямительными свойствами.

I_пр>>I_обр, что тождественно R_пр<<R_обр

Емкости p-n-перехода.

Способность p-n-перехода накапливать электрический заряд, свидетельствует о том, что он обладает ёмкостью. Различают две емкости p-n-перехода: диффузионную и барьерную.

1.C_бар – барьерная емкость образуется неподвижными ионами примесей. Характеризуется перераспределением заряда в запертом p-n-переходе. Величина этой ёмкости зависит от U_обр на p-n-переходе. Она является преобладающей при обратном смещении:

,где , емкость при

U =0, ν=1/2-1/3, зависит от способа изготовления p-n-перехода:

, где S_p-n – площадь p-n.

2.Диффузионная ёмкость: преобладает при прямом смещении p-n-перехода и характеризуется перераспределением зарядов вблизи p-n-перехода при протекании прямого тока.

, где τ_n- время жизни неосновных носителей заряда.

С_диф>>C_бар, но на практике почти не используются, так как имеет малую добротность, поскольку параллельно ей включено сопротивление p-n-перехода смещённого в прямом направлении, величина которого мала.

Пробой p-n-перехода.

Согласно ВАХ, I_обр=I₀ остается постоянным, не зависящим от обратного напряжения, однако при достаточно большом U_обр наблюдается резкое возрастание I_обр – это называется пробоем p-n-перехода, а напряжение, при котором это происходит, напряжением пробоя.

Пробои делятся на:

1) Тепловой.

2) Электрический, который в свою очередь делится на туннельный и лавинный (без перегрева).

1) Электрический пробой обратимый, т.е. после уменьшения величины обратного напряжения p-n-переход принимает свои первоначальные выпрямительные свойства.

Лавинный пробой происходит из-за лавинного размножения неосновных носителей слабо легированных “широких” p-n-переходов. При достаточно большой напряжённости электрического поля электроны достигают скоростей, при которых выбивают из атома полупроводника валентные электроны, которые в свою очередь выбивают новые. Этот процесс происходит лавинообразно.

Туннельный пробой происходит в сильно легированных “узких” p-n-переходах, и состоит в отрыве под действием сильного электрического поля валентных электронов, в результате которого в объёме p-n-перехода образуется электронная дырка.

2) Тепловой пробой, необратимый, он сопровождается разогревом p-n-перехода обратным током. При повышении температуры p-n-перехода число неосновных носителей заряда возрастает. Это приводит к увеличению J_обр, что приводит к ещё большему разогреву p-n-перехода. Разрушается (расплавляется) кристаллическая решетка, электрические свойства не восстанавливаются.