Дрейфовий і дифузійний струми у напівпровіднику
У домішковому напівпровіднику можливо виникнення двох типів струмів.
Струм, обумовлений зовнішнім електричним полем, називають дрейфовим.
Струм, що виникає у результаті дифузії носіїв з області, де їх концентрація підвищена в область з більш низькою концентрацією, називають дифузійнимструмом.
Густина електронного та діркового дрейфового струму відповідно дорівнює
де n– концетрація електронів;p- концетрація дірок;E– напруженість електричного поля, що впливає на напівпровідник.
Сумарна густина дрейфового струму електронів і дірок
.
Механізм виникнення дифузійного струмуможна пояснити так. Нехай за якимись причинами концентрація електронів у різних точках напівпровідника неоднакова. Очевидно, що імовірність зіткнення електронів один з одним більше там, де вище концентрація їх. Тому електрон, роблячи хаотичний тепловий рух, відповідно до загальних законів теплового руху буде прагнути перейти в область менших зіткнень У результаті носії заряду, що роблять тепловий рух, будуть зміщатися з області з більшою концентрацією в область з меншою концентрацією їх, що і приведе до виникнення дифузійного струму.
Густина
дифузійного струму пропорційна відношенню
зміни концентрації (
або
)
до зміни відстані (Δх), на якому
спостерігається це явище. Відношення
— одержали назву градієнтів концентрації
відповідно для електронів і для дірок.
Більш точно градієнти концентрації
електронів і дірок можуть бути записані
у виді
Густина дифузійного струму електронів і дірок визначається наступними співвідношеннями:
де Dn і Dp — коефіцієнти дифузії відповідно електронів і дірок, що залежать від типу напівпровідника, концентрації домішок, температури і стану кристалічних решіток, см2/с.
Таким чином, у загальному випадку в напівпровіднику варто розглядати чотири складових струми: дрейфовий і дифузійний для носіїв кожного знака.
Загальна густина струму у напівпровіднику
Знак
мінус перед четвертим доданком означає,
що дифузія відбувається в напрямку
зменшення концентрації, а оскільки
дірки несуть позитивний заряд, то
дифузійний струм повинний бути позитивним
при
.
Якщо за допомогою якого-небудь зовнішнього впливу динамічна рівновага концентрацій електронів і дірок у напівпровіднику порушена, то з'являється додаткова нерівновага концентрація носіїв заряду. Після припинення зовнішнього впливу відбувається процес рекомбінації і напівпровідник приходить у рівновагу.
Середній час існування носіїв заряду в напівпровіднику звичайно називають часом життя носіїв, середня відстань, що за цей час проходять носії, називаютьдифузійною довжиною носіїв заряду.
Дифузійна довжина L і час життя носіїв τ зв'язані між собою наступними співвідношеннями:
для електронів
;
для дірок
.
Величина 1/τ, зворотна часу життя носіїв, визначає швидкість рекомбінації.
Рис. 9
На рис. 9 приведено механізм рекомбінації носіїв заряду: а — пряма рекомбінація; б — рекомбінація через проміжний рівень (цифрами позначені ступіні процесів).
Розрізняють кілька видів рекомбінації носіїв у напівпровідниках.
У найпростішому випадку рекомбінація може розглядатися як прямий перехід електрона з зони провідності у валентну зону на наявний там вільний рівень (рис.9, а). Різниця енергії при цьому виділяється у виді кванта електромагнітного випромінювання або передається кристалічним ґратам у виді механічних коливань.
Інший можливий шлях рекомбінації зв'язаний з поетапним переходом електрона через заборонену зону: спочатку електрон із зони провідності переходить на деякий проміжний рівень, розташований усередині забороненої зони, а потім уже з цього рівня переходить у валентну зону (рис.9, б). Проміжні рівні, що одержали назву центрів рекомбінації, чи пасток, можуть з'явитися, якщо в кристалічних ґратах маються дефекти, обумовлені тепловим порушенням атомів, наявністю домішок, недосконалістю поверхні напівпровідника, впливом на напівпровідника часток з більшою енергією (α – променів чи β - частинок).
Наявність у напівпровіднику центрів рекомбінації дозволяє різко зменшити час життя носіїв зарядів, що необхідно для створення швидкодіючих напівпровідникових приладів.