double arrow

Неравновесное состояние полупроводника


Неравновесное состояние полупроводника возникает под влиянием каких-либо внешних воздействий, в результате которых концентрация носителей заряда в полупроводнике может измениться. Такими внешними воздействиями могут быть облучение светом, ионизирующее облучение, воздействие сильного электрического поля, приводящее к разрыву ковалентных связей, и ряд других. В результате подобных воздействий в полупроводнике помимо равновесных носителей заряда, образующихся при ионизации примесных атомов и тепловой генерации, появляются дополнительные носители заряда, которые называют неравновесными или избыточными.

В полупроводниковых приборах неравновесное состояние в большинстве случаев возникает при введении (или выведении) в полупроводник неосновных носителей заряда через электронно-дырочный переход. Введение через электронно-дырочный переход дополнительных носителей заряда называют инжекцией, а выведение экстракцией.

Рассмотрим процессы, происходящие при инжекции электронов в дырочный полупроводник (рис.5.1.а). Введение электронов ведет к появлению в поверхностной области избыточной концентрации электронов nизб, в результате чего нарушается электронейтральность полупроводника, из-за чего возникает внутреннее электрическое поле, притягивающее дырки из глубины полупроводника к поверхности и на поверхности появляется избыточная концентрация дырок ризб, которая примерно равна избыточной концентрации электронов. Время, в течение которого происходит этот процесс, называют временем диэлектрической релаксации. Оно составляет около 10-12 с. Для того, чтобы существовало внутреннее поле, удерживающее дырки у поверхности, избыточная концентрация дырок должна быть меньше избыточной концентрации электронов.




Увеличение концентрации электронов на поверхности дырочного полупроводника неизбежно ведет к их диффузии вглубь полупроводника. Диффундирующие электроны встречаются с дырками и рекомбинируют, на смену рекомбинировавшим электронам из внешней цепи поступают новые электроны, а на смену рекомбинировашим дыркам из глубины полупроводника поступают новые дырки. В результате концентрация электронов уменьшается вдоль оси х: n(х)=np+nизб(х). В каждом сечении х выполняется приблизительное условие электронейтральности, поэтому распределение избыточной концентрации дырок имеет такой же характер, как и распределение избыточной концентрации электронов: p(х)=pp+pизб(х). Однако физические причины, вызывающие увеличение концентрации электронов и дырок, различны. Возрастание концентрации электронов вызвано инжекцией электронов в полупроводник из внешней цепи, а возрастание концентрации дырок вызвано существованием внутреннего злектрического поля, которое притягивает дырки из глубины полупроводника. Распределение концентрации электронов и дырок вдоль оси х показано на рис.5.1,б.



Диффузия электронов создает ток диффузии. Плотность тока диффузии электронов пропорциональна градиенту концентрации:

(5.1.),

где Dn — коэффициент диффузии электронов, равный 99 см2/с для германия и 34 см2/с для кремния; он характеризует количество электронов, проходящих через площадку в 1 квадратный сантиметр за 1 секунду.

Поскольку градиент концентрации уменьшается вдоль оси х, то соответственно происходит уменьшение тока диффузии (рис5.1,в).

Так как существует градиент концентрации дырок, то одновременно с диффузией электронов должна возникнуть диффузия дырок и соответственно ток диффузии дырок

, (5.2)

где Dp— коэффициент диффузии дырок, равный 43 см2/с для германия и 13 см2/с для кремния.

Однако диффузии дырок препятствует внутреннее электрическое поле, являющееся причиной возникновения тока проводимости, плотность которого равна.. На рис. 5.1,в показаны три составляющих тока. Ток проводимости и ток диффузии дырок направлены навстречу друг другу, результирующий дырочный ток равен . Физически возникновение дырочного тока обусловлено притяжением дырок инжектированными электронами. Дырки, притягиваемые инжектированными электронами, встречаясь с ними, рекомбинируют, поэтому дырочный ток называют током рекомбинации. Этот ток показан на рис.5.1,г.



Рис.5.1

В любом сечении х величина тока рекомбинации пропорциональна количеству дырок, рекомбинировавших в объеме, расположенном левее этого сечения. Этим объясняется возрастание дырочного тока вдоль оси х. В каждом сечении х сумма электронного и дырочного токов имеет одну и ту же величину.

При экстракции электронов из дырочного полупроводника протекают похожие процессы (рис.5.2): уменьшается концентрация электронов на поверхности полупроводника, появляется градиент концентрации и, как следствие, возникает диффузия электронов. При этом ток диффузии изменяет свое направление. Экстракция электронов ведет к нарушению электронейтральности и возникновению внутреннего поля, в результате чего появляется дырочный ток, который называют током генерации.

       
   
 
 
 
 
 
 


Рис.5.2

Аналогичные процессы происходят и в электронном полупроводнике при инжекции (или экстракции) в него дырок с той лишь разницей, что электроны и дырки меняются ролями.







Сейчас читают про: