8

Лабораторная работа №2 исследование пространственного распределения неравновесных носителей заряда методом границы “свет-тень”

Цель работы. Изучить диффузию неравновесных носителей заряда (ННЗ) в случае биполярного и монополярного возбуждения, экспериментально определить диффузионную длину методом светового зонда.

Краткие теоретические сведения Монополярная диффузия ннз

Монополярной называется диффузия, возникающая при генерации неравновесных носителей заряда, основных для данного полупроводника. Пусть, например, в полупроводнике n-типа проводимости в приповерхностной области генерируются только неравновесные электроны (это возможно в случае, когда генерация идет с уровня М, расположенного внутри запрещенной зоны) (рис. 2.1).

Рис. 2.1.Возникновение монополярной диффузии.

В этом случае возникает диффузионный поток электронов в направлении объема кристалла, приводящий к локальному нарушению электронейтральности; в приповерхностной области остаются нескомпенсированные положительные заряды центров М, а диффундирующие электроны несут на себе нескомпенсированный отрицательный заряд. Возникающее локальное поле направлено таким образом, что препятствует диффузии электронов в глубь кристалла. В результате полный ток электронов, состоящий из противоположно направленных дрейфовой и диффузионной компонент, будет характеризоваться уравнением

, (2.1) где j — полный поток электронов от поверхности кристалла;

n — полная концентрация электронов;

μ_n — подвижность электронов;

Е— напряженность электрического поля;

D_n — коэффициент диффузии электронов;

х — расстояние от поверхности.

В стационарном состоянии полный поток электронов j равен нулю, и решение уравнения (2.1) имеет вид (предполагается малый уровень возбуждения: Δn << n₀, где Δn — неравновесная, а n₀ — равновесная концентрации электронов)

, (2.2) где (Δn)₀ — Δn на поверхности,

, (2.3) где ε, ε₀ — относительная и абсолютная диэлектрические проницаемости по- лупроводника;

к_Б — постоянная Больцмана;

Т — абсолютная температура.

Итак, в случае монополярного возбуждения концентрация неравновесных носителей заряда уменьшается по мере удаления от освещаемого участка по экспоненте с постоянной спада l_э, называемой длиной экранирования Дебая. Величина l_э мала и отражает тот факт, что основные носители заряда не могут существенно смещаться при монополярной диффузии из-за электростатических сил притяжения к неподвижным зарядам противоположного знака, локализованным в области генерации.

Биполярная диффузия ннз

Биполярной называют диффузию, возникающую при генерации неравновесных носителей двух знаков. Пусть в приповерхностную область полупроводника с дырочной проводимостью вводятся каким-либо способом электроны (неосновные носители заряда) и дырки (основные носители заряда). Этот случай может реализоваться, например, при генерации электронов светом из валентной зоны в зону проводимости (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Возникновение биполярной диффузии.

Генерированные электронно-дырочные пары диффундируют в глубь кристалла так, что электроны (более подвижные частицы) опережают дырки. В результате этого возникают небольшой объемный заряд и внутреннее электрическое поле, которое тормозит движение электронов, и ускоряет дырки. В установившемся стационарном состояния избыточные дырки и электроны распределены в полупроводнике в виде перекрывающихся и сдвинутых друг относительно друга облаков, синхронно двигающихся в глубь кристалла. Сдвиг электронного и дырочного облаков приводит к образованию ЭДС Дембера и внутреннего электрического поля. Поэтому выражение для полного тока носителей заряда от поверхности в объем кристалла будет иметь следующий вид:

, (2.4)

где j_n, j_p — электронная и дырочная составляющие полного тока;

σ — удельная проводимость образца.