1.1.4. Дрейфовый и диффузионный токи в полупроводниках

Электрический ток может возникнуть в полупроводнике только при направленном движении носителей заряда, которое создается либо под воздействием электрического поля (дрейф), либо вслед­ствие неравномерного распределения носителей заряда по объему кристалла (диффузия).

Если электрическое поле отсутствует и носители заряда име­ют в кристалле равномерную концентрацию, то электроны и дырки совершают непрерывное хаотическое тепловое движение. В ре­зультате столкновения носителей заряда друг с другом и с атома­ми кристаллической решетки скорость и направление их движе­ния все время изменяются, так что тока в кристалле не будет.

Под действием приложенного к кристаллу напряжения в нем возникает электрическое поле; движение носителей заряда упоря­дочивается: электроны перемещаются по направлению к положи­тельному электроду, дырки — к отрицательному. При этом не прекращается и тепловое движение носителей заряда, вследствие которого происходят столкновения их с атомами полупроводника и примеси.

Направленное движение носителей заряда под действием сил электрического поля называют дрейфом, а вызванный этим движением ток — дрейфовым током. При этом характер тока может быть электронным, если он вызван движением электро­нов, или дырочным, если он создается направленным перемеще­нием дырок.

Средняя скорость носителей заряда в электрическом поле прямо пропорциональна напряженности электрического поля:

v = |хЕ.

Коэффициент пропорциональности ц, называют подвижностью электронов ц,_п или дырок jx_p. Свободные электроны движутся в пространстве между узлами кристаллической решетки, а дыр­ки — по ковалентным связям, поэтому средняя скорость, а сле­довательно, и подвижность электронов больше, чем дырок. У кре­мния подвижность носителей заряда меньше, чем у германия.

В собственных полупроводниках концентрации электронов и дырок одинаковы, но вследствие их разной подвижности элект­ронная составляющая тока больше дырочной. В примесных полу­проводниках концентрации электронов и дырок существенно от­личаются, характер тока определяется основными носителями заряда: в полупроводниках р-типа — дырками, а в полупровод­никах п-типа — электронами.

При неравномерной концентрации носителей заряда вероят­ность их столкновения друг с другом больше в тех слоях полу­проводника, где их концентрация выше. Совершая хаотическое тепловое движение, носители заряда отклоняются в сторону, где меньше число столкновений, т. е. движутся в направлении умень­шения их концентрации.

Направленное движение носителей заряда из слоя с более высокой их концентрацией в слой, где концентрация ниже, назы­вают диффузией, а ток, вызванный этим явлением, — диффузи­онным током. Этот ток, как и дрейфовый, может быть электрон­ным или дырочным.

Степень неравномерности распределения носителей заряда характеризуется градиентом концентрации; его определяют как отношение изменения концентрации к изменению расстояния, на котором оно происходит. Чем больше градиент концентрации, т. е. чем резче она изменяется, тем больше диффузионный ток.

Электроны, перемещаясь из слоя с высокой концентрацией в слой с более низкой концентрацией, по мере продвижения реком­бинируют с дырками, и наоборот, диффундирующие в слой с по­ниженной концентрацией дырки рекомбинируют с электронами. При этом избыточная концентрация носителей заряда умень­шается.

Контрольные вопросы

1. Что называют энергетическим уровнем и энергетической диаграммой? Какие энергетические зоны содержит энергетическая диаграмма?

2. Чем отличаются энергетические диаграммы металлов, полупроводников и диэлектриков?

3. Что представляет собой кристаллическая структура кремния и германия?

4. Объясните механизм собственной электропроводности полупроводника.

5. Объясните механизм примесной электропроводности полупроводников л-типа и р-типа.

6. Чем отличаются дрейфовый и диффузионный токи в полупроводнике?