2.2 Дрейфовий та дифузійний струми власних напівпровідників

Процеси провідності у напівпровідниках відрізняються від процесів провідності у металах. Основна відмінність полягає у тому, що провідність у напівпровідниках здійснюється двома різними та незалежними видами рухів електронів, і що цими ви­дами можна керувати у широких межах, добавляючи дуже малу кількість відповідних елементів до основного напівпровідникового матеріалу.

Якщо до напівпровідника не прикладена електрична напруга, то електрони та дірки здійснюють хаотичний тепловий рух і ніякого струму немає. Під дією різниці потенціалів у напівпровіднику виникає електричне поле, яке прискорює рух електронів та дірок і надає їм деякого спрямованого руху. Це і є струм провідності як і в металах.

Рух носіїв заряду під дією електричного поля називають дрейфом, а струм провідності - струмом дрейфу І_др. Повний струм провідності складається із електронного І_nдр та діркового струмів провідності І_рдр:

І_др= І_пдр+ І_рдр .

Незважаючи на те, що електрони та дірки рухаються у протилежних напрямах, їхні струми складаються, бо рух дірок являє собою переміщення електронів. Рухомість дірок менша, ніж рухомість електронів, а тому діркова складова менша від електронної.

Поняття рухомості носіїв заряду є важливим. Для оцінки динамічних (частотних) властивостей напівпровідникових приладів важливим є поняття рухомості. Чим більша рухомість, тим менша інерційність приладу, тобто ефективність керування приладом зберігається в широкому частотному діапазоні, а отже, прилад має більшу швидкодію. Тому активні прилади побудовані з використанням напівпровідників n-типу, мають кращі динамічні властивості.

У напівпровідниках, кpiм дрейфового струму (направленого руху носіїв), обумовленого різницею потенціалів, може бути ще й дифузійний струм, який з’являється при різниці концентрацій носіїв.

Якщо нociї заряду розподілені рівномірно в напівпровіднику, то концентрація їх є рівноважною. Під впливом будь-яких зовнішніх дій в різних частинах напівпровідника концентрація може стати неоднаковою, нерівноважною. Наприклад, якщо на частину напівпровідника подіяти випромінюванням, то в ній посилиться генерація пар носіїв i виникне додаткова концентрація носіїв, яку називають надлишковою.

Оскільки нociї мають власну кінетичну енергію, то вони завжди переміщуються з місця з більш високою концентрацією в місце з меншою концентрацією, тобто прагнуть до рівноважної концентрації. Це обумовлює рух носіїв зарядів. Струм, викликаний дифузійним рухом електронів і дірок, називають дифузійним струмом (I_диф). Він так само, як i дрейфовий, може бути електронним або дірковим.

Градієнт концентрації характеризує зміну концентрації n або p на одиницю довжини. При однаковій концентрації струм дифузії не виникає. Чим більша зміна концентрації на даній відстані, тим більший струм дифузії.

Якщо внаслідок будь-якої зовнішньої дії в частині напівпровідника утворена надлишкова концентрація нociїв, то пicля припинення цієї дії надлишкові нociї будуть рекомбінувати та розповсюджуватись внаслідок дифузії в інші частини напівпровідника. Надлишкова концентрація почне зменшуватися за експоненціальним законом. Час, за який надлишкова концентрація зменшиться в 2,7 раза (тобто буде дорівнювати 0,37 початкового значення концентрації), називають тривалістю життя  _n, _p.

При дифузійному розповсюдженні нерівноважних ноciїв уздовж напівпровідника, концентрація їx внаслідок рекомбінації також зменшується з віддаленням за експоненціальним законом. Відстань, на якій за одновимірної дифузії в напівпровіднику без електричного поля надлишкова концентрація незрівноважених носіїв зменшується в 2,7 раза, називають дифузійною довжиною носіїв (L_p). Це – відстань, на яку заряд дифундує за час життя. Дифузійну довжину не слід плутати з довжиною вільного пробігу носіїв заряду, яка визначається як середня відстань, яку проходить заряд між двома послідовними зіткненнями.

Дифузійна довжина носіїв є важливим параметром, який значно впливає на визначення геометричних розмірів приладів. При створенні напівпровідникового приладу потрібно, щоб ділянка, через яку проходять носії, була значно меншою від дифузійної довжини. Саме таке досягнення зумовило створення біполярних транзисторів, в яких ширина бази має бути значно менше за L.

Визначальною ознакою, що дає підстави виділити напівпровідники у особливий клас речовин, є значний вплив зовнішніх факторів на їхню електричну провідність, що дає можливість програмувати необхідні зміни провідності і таким чином створювати активні компоненти ЕС.

Провідність напівпровідників дуже залежить від наявності “чужих” атомів, неідеальності кристалічної структури, а також від впливу різних зовнішніх факторів, а саме: температури, електричного поля, оптичного випромінювання, магнітного поля, тиску, тощо. Ці властивості широко використовують для створення напівпровідних приладів з різними функціональними можливостями, з запрограмованою та керованою провідністю.

Дрейфовий струм, струм дифузії, генерація пар носіїв та їхня рекомбінація, зміна надлишкової концентрації ноciїв у чaci та пpocтоpi не вичерпують вcix складних явищ у напівпровідниках, але вони важливі i достатні для розуміння і вивчення основних фізичних процесів, використовуваних в побудові напівпровідникових приладів різного призначення.