5.2.4 Перенос неравновесных носителей
При генерации в полупроводнике электронно-дырочных пар часть носителей может прорекомбинировать. Те из них, которые избежали начальной рекомбинации, будут перемещаться по объему полупроводника за счет электрических полей и диффузии. В процессе перемещения дополнительно часть носителей может прорекомбинировать, а остальные достигнут контактов. Далее электроны будут перемещаться по внешним участкам схемы.
В п. 5.2.3 говорилось о том, что проникающая частица создает вблизи своего трека состояние высокого уровня инжекции, поэтому при рассмотрении радиационных эффектов важным является перенос высоких концентраций избыточных носителей заряда. При удалении от трека перенос носителей обычно сопровождается рекомбинацией, характерной для низкого уровня инжекции.
При высоком уровне инжекции, когда концентрации носителей превышают равновесные концентрации носителей обоих типов (n0, p0), перенос управляется избыточными носителями, и из-за их высоких концентраций практически отсутствует влияние внешнего поля [12]. Вследствие этого перенос управляется диффузией избыточных носителей. Этот перенос высоких концентраций носителей посредством диффузии называется переносом за счет амбиполярной диффузии. В конечном счете, рекомбинация снижает концентрации носителей, и электроны с дырками могут перемещаться независимо друг от друга.
Амбиполярная диффузия возникает тогда, когда внутреннее электрическое поле, обусловленное распределениями электронов и дырок в объеме, превышает значения внешнего поля, приложенного к полупроводнику [12]. Здесь рассматривается притяжение не между отдельными электронами и дырками (которые быстро рекомбинируют), а между распределениями носителей. При воздействии радиации избыточные носители создаются в равных количествах. Если электроны и дырки имеют равные подвижности и отсутствует электрическое поле, то все носители прорекомбинируют. Однако в случае различия подвижностей возникает совокупное движение электронов и дырок. Если какие-то носители ускоряются, то увеличивается степень разделения зарядов, что повышает внутреннее поле и притягивает носители друг к другу. В начале создается высокая концентрация электронно-дырочных пар (т.е. ионный трек). Электроны, имея более высокую подвижность, диффундируют с большими скоростями, оставляя дырки вблизи центра трека. Между противоположно заряженными носителями создается встроенное поле, ограничивающее возможность носителей диффундировать независимо. Это называется амбиполярной диффузией. При низком уровне инжекции противоположно заряженные носители имеют свои собственные характеристики диффузии и дрейфа, но при амбиполярной диффузии оба типа носителей имеют одинаковые характеристики диффузии и подвижности. Характеристики амбиполярной диффузии и подвижности описываются выражениями [1]
;
;
,
где — время жизни избыточных носителей.
При высоком уровне инжекции, когда n = p >> n0, p0 (или в собственном материале), значения амбиполярных коэффициентов D* и * снижаются до
и
.
Процесс диффузии определяется меньшим коэффициентом диффузии, и при этом отсутствует дрейф. Для низкой инжекции n = p = n0 и материала n-типа
и
.
Пока носители находятся под влиянием диффузии и электрического поля, время жизни электронов уменьшается наполовину, а время жизни неосновных носителей остается неизменным. При низком уровне инжекции в примесных материалах время жизни избыточных носителей снижается до значения для неосновных носителей (т.е. = р0 для сильно легированного материала n-типа).
При подаче внешнего поля появляется порог, когда внешнее поле начинает влиять на перенос носителей сильнее, чем внутреннее поле. Перенос находится как под влиянием того, насколько далеко носители перемещаются посредством диффузии (т.е. диффузионной длины), так и под влиянием дрейфа (E). Данный порог возникает при [12]
.
В какой-то момент, при увеличении времени жизни, определять перенос будет электрическое поле.
Таким образом можно сделать следующие выводы.
При создании плотной электронно-дырочной плазмы имеет место интенсивная рекомбинация.
Распределения избыточных электронов и дырок в начале перемещаются посредством амбиполярной диффузии, а затем — дрейфа. На перенос главным образом влияют неосновные носители.
При достижении низкого уровня инжекции носители не будут влиять друг на друга, и будет иметь место обычный перенос и обычные механизмы рекомбинации (т.е. межзонная и Шокли-Рида-Холла).