6. Инжекция носителей зарядов

За счет снижения потенциального барьера при прямом смещении p-n-перехода происходит нагнетание носителей заряда черезp-n-переход в область полупроводника, где они являются неосновными носителями (рис.2.10.).

Процесс введения носителей зарядов, создающих избыточную (неравновесную) концентрацию в полупроводниковом слое, называется инжекцией. В рассматриваемом случае это инжекция дырок из области р в областьnи инжекция электронов из областиn в область р. Если начальная концентрация электронов областиn намного меньше начальной концентрации дырок в области р (n_n0 << p_p0 в случае несимметричногоp-n-перехода), то инжекция носит односторонний характер (инжекция дырок из области р вn).

Область, которая инжектирует носители заряда, называют эмиттером. Область, в которую инжектируются носители заряда, называютбазой. В рассматриваемом случае эмиттером является область р, а базойобластьn.

При наличии внешнего смещения перехода невозможно обеспечить электрическую нейтральность базы простым перераспределением зарядов базы. Для компенсации положительного заряда дырок, инжектируемых в базу, электроны поступают из внешней цепи. А т.к. заряды электронов и дырок одинаковы, то из внешней цепи в базу поступает столько электронов, сколько инжектировано дырок. Для обеспечения электрической нейтральности эмиттера во внешнюю цепь уходит такое же количество электронов. Процесс компенсации заряда дырок электронами внешней цепи называется релаксацией.

7. Диффузия и рекомбинация зарядов в базе

Пусть неосновные носители заряда в полупроводнике в равновесном состоянии имеют равновесные концентрации p_n0 иn_p0. Основные носители заряда распределяются т.о., чтобы компенсировать заряд неосновных (т.е. накапливаются там же, где неосновные). Процесс, связанный с движением и рекомбинацией неосновных носителей, происходит во времени и пространстве:

(2.20)

Диффузионная длинаL_дэто расстояние от границыp-n-перехода, на котором избыточная концентрация носителей заряда, введенных тем или иным способом в полупроводник, уменьшается в е раз.

Время жизнипары электрон-дыркаэто время, за которое носители заряда пройдут расстояние, равное диффузионной длине.

Диффузионная длина и время жизни связаны между собой соотношением:

L_д= , (2.21)

где Dкоэффициент диффузии (плотность потоков носителей заряда при единичном градиенте их концентрации).

8. Время жизни

При объединении электрона с дыркой существенную роль играют центры рекомбинации, которым соответствуют разрешенные энергетические уровни, расположенные в глубине запрещенной зоны и способные захватить электроны уровни ловушек(рис.2.11.). Центрами рекомбинации могут быть дефекты кристаллической решетки, атомы примесей. При участии ловушек процесс рекомбинации происходит в две стадии: электрон из зоны проводимости вначале переходит на уровень ловушки, а затемв валентную зону или возвращается назад в зону проводимости. Такой процесс более вероятен, чем непосредственная рекомбинация. Многоступенчатость процесса рекомбинации сокращает время жизни в несколько раз.

Время жизни пары электрон-дырка зависит от концентрации примесей, температуры и наличия центров рекомбинации. Для повышения интенсивности рекомбинационных процессов (уменьшения времени жизни) в примесные полупроводники вводят в небольшом количестве золото или никель, которые представляют собой исключительно активные центры рекомбинации. В полупроводникеn-типа с ростом температуры все больше электронов попадает с уровней ловушек в зону проводимости, следовательно, время жизни растет. В полупроводникер-типа с ростом температуры увеличивается число электронов, перешедших из валентной зоны на уровни ловушек, следовательно, время жизни растет.