Ударная ионизация

Свободный электрон (или дырка), разгоняясь под действием большой напряженности электрического поля, может приобрести на длине свободного пробега дополнительную энергию, достаточ­ную для ионизации примеси или собственного атома полупровод­ника. Процесс ионизации атомов разогнавшимся в поле носите­лем заряда называют ударной ионизацией. Ионизацию могут вызывать и дырки, так как движение дырок является лишь спо­собом описания движения совокупности электронов валентной зоны полупроводника.

Количественно процесс ударной ионизации характеризуется коэффициентами ударной ионизации, которые численно равны количеству пар носителей заряда, образуемых первичным носи­телем на единице пути. По аналогии с теорией электрического разряда в газах, коэффициенты ударной ионизации в полупро­водниках обозначают . Коэффициенты ударной иониза­ции очень сильно зависят от напряженности электрического поля. Для практических расчетов часто пользуются эмпириче­ской аппроксимацией

(1)

где т — довольно большой показатель степени, различный для разных материалов (от 5 до 8).

Туннелирование

Сильному электрическому полю в полупроводнике соответствует большой наклон энергетических зон (рисунок 4).

Рисунок 4. Туннелирование электронов из валентной зоны в зону проводимости при сильном электрическом поле в полупроводнике

При этом электроны могут проходить сквозь узкий потенциальный барьер (тол­щиной ) без изменения своей энергии — туннелировать благодаря своим квантово-механическим свойствам. Так как процесс туннелирования про­исходит вследствие перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости, то этот процесс можно считать аналогичным автоэлектронной эмиссии или холодной эмиссии электронов из металла.

Вероятность перехода электронов из ва­лентной зоны в зону проводимости и, наобо­рот, из зоны проводимости в валентную зону одна и та же. Но переход электронов из ва­лентной зоны преобладает, поскольку их там значительно больше, чем в зоне проводимо­сти. Поэтому концентрация носителей заряда растет при туннелировании.

Туннельный эффект в полупроводниках проявляется при очень больших напряжен­ностях электрического поля: в кремнии — при В/см, в германии – при В/см. Напряженности электрического поля, при которых появляется эффект туннелирования, различны для разных материалов, так как толщина потенциального барье­ра () зависит от ширины запрещенной зоны полупроводника при неизменной напряженности электрического поля, т. е. при неизменном наклоне энергетических зон.

Теперь рассмотрим влияние сильного электрического поля на подвижность носителей заряда.