6. Закономерности движения носителей заряда

Основными причинами, вызывающими направленное движение тока, являются:

1. Напряженность электрического поля (внешнего или внутреннего) формирует дрейфовый ток (дырочный и электронный).

2. Неравномерность концентрации носителей формирует диффузионный ток (дырочный и электронный).

Диффузионный ток обусловлен свободным перемещением подвижных носителей внутри полупроводникового материала. Диффузия происходит из области с большей концентрацией в область с меньшей концентрацией носителей заряда. Т.о. в полупроводнике существуют 4 составляющие тока, характеризуемые своими плотностями.

(1.11)

Здесь _n и_р  коэффициенты, характеризующие подвижность электронов и дырок;D_n иD_p коэффициенты диффузии электронов и дырок.

В процессе движения свободные носители встречаются в одном микрообъеме кристалла, что вызывает их рекомбинацию. Среднее время между процессами генерации и рекомбинации данного типа носителей называется временем жизни носителей заряда.

Время жизни носителей параметр, определяющий быстродействие полупроводниковых приборов; его снижение позволяет увеличить их рабочую частоту.

2. Электронно-дырочный переход

Работа большинства полупроводниковых приборов основана на процессах, происходящих в приконтактной области двух разнотипных полупроводников.

Электронно-дырочным переходом(р-n-переходом) называют приконтактную область между двумя разнотипными полупроводниками.

Типы p-n-переходов:

• плоскостной (линейные размеры перехода больше его ширины);

• точечный (линейные размеры перехода соизмеримы с его шириной);

• ступенчатый (при переходе через границу резко меняется концентрация примесей, т.е. p_p >> n_n илиn_n >> p_p );

• плавный (однородный p-n-переход);

• несимметричный (p_p > n_n илиn_n > p_p );

• симметричный (p_p = n_n, используется очень редко).

Изолированный p-n-переходимеет место, когда контакт проводников является идеальным, граница раздела является плоской, а внешнее электрическое поле отсутствует.

1. Свойства плоскостного ступенчатого несимметричного p-n-перехода

На практике наибольшее распространение получили p-n-структуры с неодинаковой концентрацией внесенных акцепторной Nа и донорнойNд примесей, т.е. с неодинаковой концентрацией основных носителей заряда в слоях р_рNа иn_n  Nд. Типичными являются структуры сNa >>Nд (р_р >> n_n ). Рассмотрим свойства плоскостного ступенчатого несимметричногоp-n-перехода на примере германия (рис.2.1(А)). Распределение концентраций носителей заряда для такой структуры показано на рис.2.1(B), где принятоp_p = Nа = 10¹⁸см ^-3,n_n= Nд = 10¹⁵см ^–3. Концентрация собственных носителей заряда в германии при комнатной температуреn_i= 10¹³см ^–3. В соответствии с (1.10.) концентрации неосновных носителей заряда составят для рассматриваемой структурыn_р=n_i²/р_р=10⁸см ^–3,р_n=n_i²/n_n=10¹¹см ^–3, т.е. концентрации неосновных носителей заряда существенно меньше концентраций основных носителей заряда.

Вp-n-полупроводнике на границе раздела слоев возникает разность концентраций одноименных носителей заряда, что вызовет диффузионное перемещение дырок из слоя р в слойnи встречное диффузионное перемещение электронов из слояn в слой р в приграничной области. Вследствие ухода основных носителей из приграничных областей и их рекомбинации с носителями заряда противоположного знака, концентрации основных носителей заряда в обеих приграничных областях снижаются. Это приводит к увеличению концентрации неосновных носителей заряда и появлению нескомпенсированных объемных зарядов, создаваемых ионами атомов примесей (положительный объемный заряд в слоеnи отрицательный объемный заряд в слоер). Кривая распределения объемного заряда вp-n-переходе представлена на рис.2.1(C). Отсутствие основных носителей заряда справа и слева от границы двух разнотипных полупроводников вызывает резкое увеличение сопротивления этой приконтактной области. Можно ввести эквивалентное определениеp-n-перехода:p-n-переход это область, обладающая повышенным сопротивлением.

Наличие разнотипных зарядов приводит к появлению в приконтактной области потенциального барьера и электрического поля. Саму приконтактную область принято называть запирающим, или обедненным, слоем. Кривые распределения Е(х) и (х) представлены на рис.2.1(D,E).

Диаграммы на рис.2.1. справедливы для ступенчатого несимметричного p-n-перехода, в котором отсутствуют проходящие электрические заряды. Отрицательный заряд в левой частиp-n-перехода равен положительному заряду в его правой части:

qNaSd₁ = qNдSd₂. (2.1)

Здесь Sплощадьp-n-перехода,d₁ иd₂  толщины соответствующих слоев,qзаряд электрона. Тогда справедливо выражение:

. (2.2)

Поскольку в рассматриваемом несимметричном p-n-переходеNa>>Nд, тоd₁<<d₂, т.е. переход практически весь располагается в области с меньшей концентрацией (в областиn), и ширинаp-n-переходаd = d₁ + d₂  d₂.

Т.о. p-n-переход практически смещается в область, обедненную носителями зарядов, т.е. в слаболегированную область.Ширина p-n-переходаопределяется по формуле

, (2.3)

где =₀_rдиэлектрическая проницаемость,₀диэлектрическая постоянная воздуха (₀= 8,8610 ^–14Ф/см),_rотносительная диэлектрическая проницаемость полупроводника (дляGe _r = 16,7; дляSi _r = 11,3),₀высота потенциального барьера:

. (2.4)

Внутреннее электрическое поле с потенциальным барьером ₀будет оказывать ускоряющее действие для неосновных и тормозящеедля основных носителей заряда. Т.о. внутреннее электрическое поле приводит к уменьшению диффузионных токов и способствует протеканию через переход тока неосновных носителей заряда (дрейфового тока).

Плотность диффузионного тока J_диф, обусловленного движением основных носителей заряда, состоит из потока дырок, перемещающихся под действием диффузии из области р в областьn, и потока электронов, диффундирующих из областиn в область р:

J_диф = J_{диф p} + J_{диф n} , (2.5)

Плотность дрейфового тока J_дробусловленна движением неосновных носителей заряда прилегающих кp-n-переходу слоев. Неосновные носители области р (электроны) и областиn(дырки) за счет хаотичного теплового движения могут случайно попасть в областьp-n-перехода, электрическое поле которого будет для них ускоряющим, и переброситься этим полем черезp-n-переход. Т.о. плотность дрейфового тока состоит из потока неосновных носителей заряда прилегающих кp-n-переходу слоев и зависит от концентрации неосновных носителей заряда и диффузионной длины.

J_др = J_{др p} + J_{др n} , (2.6)

Суммарный ток через переход в установившемся состоянии в отсутствие внешнего напряжения равен нулю. Равенство диффузионной и дрейфовой составляющих тока создается установлением соответствующей величины потенциального барьера в p-n-переходе. Высота потенциального барьера зависит от концентрации примесей и температуры. С ростом температуры при постоянной концентрации примесей высота потенциального барьера уменьшается; с ростом концентрации примесей при неизменной температуре высота потенциального барьера увеличивается.

Врезультате диффузионного и дрейфового переходов зарядов через р-n-переход выравниваются вероятности заполнения энергетических уровней справа и слева от перехода, поэтому уровень Ферми становится общим для р иn слоев, что приводит к искривлению энергетической диаграммы (рис.2.2). При постоянной концентрации примесей с ростом температуры высота потенциального барьера уменьшается, т.к. уровень Ферми стремится к середине запрещенной зоны.

На процессы, происходящие в p-n-переходе, существенное влияние оказывает величина и полярность внешнего источника напряжения, подключенного кp-n-переходу.