Токи в примесном полупроводнике

Различают тепловое, дрейфовое и диффузионное перемещения подвижных зарядов в структуре примесного полупроводника.

Тепловое движение свободных носителей заряда – электронов и дырок, совершается в кристалле полупроводника беспорядочно, хаотически. Поскольку при тепловом перемещении частиц все направления этого движения равновероятны, т.е. направленного движения нет, то и электрического тока нет.

Ток дрейфа. Если к примесному полупроводнику р-типа или n-типа подключить источник постоянного напряжения, то внутри полупроводника возникает электрическое поле, которое ускоряет электроны и дырки и сообщает им направленное движение, представляющее собой ток дрейфа I др.

Движение зарядов под действием электрического поля называют током дрейфа. Полный ток дрейфа складывается из электронного и дырочного тока дрейфа

I др = I n др + I p др.

Слагаемые тока дрейфа неодинаковы по величине, т.к. в примесных полупроводниках концентрация основных подвижных зарядов больше, чем неосновных. Следовательно, в полупроводнике n-типа I n др≫ I p др, а в полупроводнике р-типа наоборот – I р др≫ I n др.

Несмотря на то, что электроны и дырки движутся в противоположных направлениях, эти токи складываются, так как движение дырок представляет собой перемещение электронов.

Диффузионный ток. В примесных полупроводниках р-типа или n-типа помимо тока дрейфа I др может быть ещё и диффузионный ток I диф, причиной возникновения которого является не электрическое поле внутри полупроводника, а разность концентраций зарядов одного и того же типа в объёме кристалла полупроводника – или дырок или электронов.

Если носители заряда, или дырки или электроны, распределены равномерно по полупроводнику, то их концентрация называется равновесной.

Под влиянием каких-либо внешних воздействий в разных частях объёма полупроводника концентрация зарядов может стать неодинаковой, т.е. неравновесной. Например, если часть полупроводника подвергнуть действию облучения, то в ней усилится генерация пар зарядов – дырок и электронов и возникнет дополнительная концентрация зарядов, называемая избыточной.

Так как заряды 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. И всегда причиной диффузии является неодинаковость концентрации частиц, а сама диффузия совершается за счёт собственной энергии теплового движения частиц.

Диффузионное движение подвижных зарядов (электронов и дырок), т.е. движение из-за разности концентраций, называется диффузионным током I диф.

Диффузионный ток, так же как ток дрейфа (проводимости), может быть электронным или дырочным.

Полный ток диффузии складывается из электронного и дырочного тока диффузии

I диф = I n диф + I p диф.

Слагаемые тока диффузии неодинаковы по величине, т.к. в примесных полупроводниках концентрация основных подвижных зарядов больше, чем неосновных. Следовательно, в полупроводнике n-типа I n диф≫ I p диф, а в полупроводнике р-типа наоборот – I р диф≫ I n диф.

Примесные полупроводники используются для создания электронно-дырочных переходов (другое название – р-n-переходов) на основе которых создаются различные полупроводниковые приборы – диоды, транзисторы, тиристоры, интегральные микросхемы и др.

Выводы:

1. Чистые полупроводники, т.е. i -типа, для изготовления полупроводниковых приборов применяются крайне редко, т.к. концентрация зарядов – свободных электронов и дырок очень мала.

2. С целью повышения электропроводимости в чистые полупроводники вводят примесь. Введение примеси (т.е. легирование) позволяет изменить концентрацию электронов или дырок в объёме полупроводника и тип проводимости. Различают соответственно электронные (n - типа) и дырочные (p - типа) примесные полупроводники.

3. В структуре примесных полупроводников выделяют подвижные и неподвижные заряды – отрицательные и положительные, а также основные и неосновные носители зарядов.

4. Подвижные заряды – это свободные электроны и дырки. Неподвижные заряды – это положительные ионы (атомы донорной примеси) и отрицательные ионы (атомы акцепторной примеси).

5. Основные подвижные заряды – это или дырки или электроны, концентрация которых наибольшая в примесном полупроводнике. Неосновные подвижные заряды – это или дырки или электроны, концентрация которых наименьшая в примесном полупроводнике.

6. Ток дрейфа – это направленное движение основных или неосновных зарядов под действием электрического поля.

7. Ток диффузии – это направленное движение основных или неосновных зарядов за счёт разности концентрации этих зарядов в объёме полупроводника.

[1] концентрация атомов – это количество атомов в единице объёма. В системе СИ единица измерения концентрации

[2] n – от слова negative (отрицательный)

[3] Путём очень сильного легирования чистых полупроводников получают вырожденные полупроводники. Вырожденный полупроводник – это полупроводник, концентрация примесей в котором настолько велика, что собственные свойства практически не проявляются, а проявляются в основном свойства примеси. Вырожденные полупроводники используются в туннельных и обращенных диодах, а также в инжекционных лазерах.

[4] Алгебраическая, т.е. с учетом знака. Например, +3 – 2 + 4 – 5 = 0.

[5] р – от positive (положительный)