Токовые неустойчивости в сильных электрических полях

Как следует из сказанного выше, под влиянием сильного электрического поля появляется зависимость электропроводности полупроводников от напряженности этого поля, т.е. закон Ома становится нелинейным (рис. 6.7, а).

Если в полупроводниках преобладают процессы, связанные с ростом концентрации неравновесных носителей, то ток растет быстрее, и кривую 1 называют суперлинейной. Когда преобладают процессы, связанные с уменьшением подвижности, ВАХ становиться сублинейной (кривая 2).

В первом и во втором случае во всех точках кривых 1 и 2 ток растет, т.е. дифференциальная электропроводность всюду положительна

. (6.64)

в)

б)

а)

Рис. 6.7. Типы вольт-амперных характеристик в сильном поле: а – суперлинейная (1),

сублинейная (2); б – характеристика N-типа; в – характеристика S-типа

Два других типа вольт-амперных характеристик, встречающихся на практике, приведены на рис. 6.7, б и 6.7, в. Эти ВАХ содержат участок, где σ_d отрицательна

(6.65)

Пусть полупроводник имеет характеристику S-типа (рис. 6.8, а). Электрическому полю Е соответствуют три значения плотности тока j ₁, j ₂ и j ₃.

Состояние с j ₃ неустойчиво, так как для него σ_d <0, а состояния j ₁ и j ₂ устойчивы, поскольку для них σ_d >0.

б)

а)

Рис. 6.8. Схема возникновения шнуров тока в сильном поле: а – S-характеристика;

б – токи в образце

Если в образце возникает по каким-либо причинам флуктуация заряда (локальное отклонение от электронейтральности), то она обычно рассасывается по закону , где τ_н – максвелловское время.

. (6.66)

Очевидно, что в случае σ_d < 0 экспонента возрастает со временем, и флуктуация будет не рассасываться, а возрастать.

Система, выведенная из состояния равновесия, в него не вернется, образец разобьется на домены с различной плотностью тока j ₁ и j ₃ т.е. различной концентрацией носителей заряда. Произойдет так называемое шнурование тока (рис. 6.8, б).

В кристалле с характеристикой N-типа заданному значению плотности тока j ₁ соответствуют три значения поля Е ₁, Е ₂, E ₃ (рис. 6.9, а).

Состояние с полем Е ₂ неустойчиво, так как в этом случае σ_d < 0, а состояние с полем Е ₁ и E ₃ – устойчивы.

В результате роста возможной флуктуации объем кристалла разобьется на области, но уже не продольные, а поперечные. Внутри домена подвижность носителей будет меньшей, а напряженность поля большей E ₃, чем вне него E ₁ (рис. 6.9, б).

б)

а)