Строение полупроводников
5. Виды движения носителей в полупроводниках
Электроны и дырки, которые могут перемещайся и поэтому создавать электропроводность, называют подвижными носителями заряда или просто носителями заряди.
Если к полупроводнику не приложено напряжение, то электроны и дырки проводимости совершают хаотическое тепловое движение и никакого тока, конечно, нет. Под действием разности потенциалов в полупроводнике возникает электрическое поле, которое ускоряет электроны и дырки и сообщает им ещё некоторое поступательное движение, представляющее собой ток проводимости.
Движение носителей заряда под действием электрического поля называют дрейфом носителей, а ток проводимости -- током дрейфа iдр.
Полный ток проводимости складывается из электронного и дырочного тока проводимости:
iдр=inдр+ipдр,
Удобнее рассматривать не сам ток, а его плотность.
Jдр=Jnдр+Jpдр
Так как плотность тока равна количеству электричества, проходящему через единицу площади поперечного сечения за 1 с, то можно записать:
Jnдр = niq vn
где ni -- концентрация электронов;
q -- заряд электрона;
vn -- средняя скорость поступательного движения электронов под действием поля.
Аналогично
Jpдр = piq vn
Средняя скорость учитывает беспорядочное тепловое движение с многочисленными столкновениями электронов и атомов кристаллической решётки. От одного столкновения до другого электроны ускоряются полем, и поэтому скорость vn пропорциональна напряженности поля Е:
v = E,
где - подвижность электронов (средняя скорость их поступательного движения под действием поля с единичной напряжённостью).
То есть плотность полного тока:
Jдр = niqnE +piqрE = (n+p)E ,
где n = niqn, p = piqр - удельные проводимости.
Если рассматривать отдельно n и p проводимости, можно сказать, что:
Под действием ЭДС источника в проводах, соединяющих полупроводник n-типа с источником, и в самом полупроводнике движутся электроны проводимости. В соединительных проводах полупроводника p-типа по-прежнему движутся электроны, а в самом полупроводнике ток следует рассматривать как перемещение дырок. Электроны с отрицательного полюса поступают в полупроводник и заполняют пришедшие сюда дырки. К положительному полюсу приходят электроны из соседних частей полупроводника, и в этих частях образуются дырки, которые перемешаются в противоположную сторону.
В полупроводниках помимо тока проводимости (дрейфа носителей) может быть еще диффузионный ток, причиной возникновения которого является не разность потенциалов, а разность концентраций носителей.
Если носители заряда распределены равномерно по полупроводнику, то их концентрация является равновесной. Под влиянием каких-либо внешних воздействий в разных частях полупроводника концентрация может стать неодинаковой, не равновесной.
Так как носители имеют собственную кинетическую энергию, то они всегда переходят из мест с более высокой концентрацией в места с меньшей концентрацией, т. е. стремятся к выравниванию концентрации.
Диффузионное движение подвижных носителей заряда (электроны и дырки) называется диффузионным током. Этот ток, так же как ток проводимости, может быть электронным или дырочным, и плотность его определяется следующими формулами:
Jnдр = qDnДn /Дx и Jpдр = -qDpДp /Дx
где величины Дn /Дx и Дp /Дx являются так называемыми градиентами концентрации (скорость изменения скорости носителей);
Dn и Dp -- коэффициентами диффузии (интенсивность процесса диффузии).
Таким образом, в общем случае в полупроводнике следует рассматривать четыре составляющих тока: дрейфовый и диффузионный для носителей каждого знака. Общая плотность тока в полупроводнике:
J = Jnдр + Jnдиф + Jpдр +Jpдиф =ennE +
+eDndn/dx + eppE +eDpdp/dx .