Дрейфовий та дифузійний струми в напівпровіднику
Струм у напівпровіднику з'являється як наслідок спрямованого переміщення носіїв заряду. Розрізняють два можливі випадки появи струму в напівпровіднику. Струм, зумовлений зовнішнім електричним полем, отримав назвудрейфового струму.Струм, що виникає в результаті дифузії носіїв з області, де їх концентрація підвищена, в напрямку області з нижчою концентрацією, називаєтьсядифузійнимбездрей-фовим струмом. Нерівномірність концентрації носіїв зарядів у напівпровіднику може виникнути під дією світла, нагрівання, електричного поля і т.д.
Позначивши в загальному випадку концентрацію електронів у напівпровідникуn, а концентрацію дірокp, з урахуванням (3.5.5) і ( 3.5.6) знайдемо, що щільність електронного дрейфового струму
А щільність діркового дрейфового струму
Сумарна щільність дрейфового струму електронів та дірок
Механізм виникнення дифузійного струму можна пояснити так. Нехай з якихось причин концентрація електронів у різних точках напівпровідника не однакова. Очевидно, що ймовірність зіткнення електронів один з одним вища там, де вища концентрація їх. Тому, електрон, здійснюючи хаотичний тепловий рух, відповідно до загальних законів теплового руху прагнутиме перейти в область менших зіткнень, В результаті носії заряду, що здійснюють тепловий рух, зміщуватимуться з області з більшою концентрацією в область з меншою їх концентрацією до виникнення дифузійного струму
Щільність дифузійного струму пропорційна відношенню зміни концентрації (Δn або Δp)до зміни відстані (Δх ), на якомуспостерігається це явище. Відносини і отримали назвуградієнтів концентрації відповідно для електронів та дірок. Більш точно градієнти концентрації для електронів та дірок можуть бути записані у вигляді
, (3.8.4)
Щільність дифузійного струму електронів та дірок визначається такими співвідношеннями:
Jn диф, (3.8.5)
Jр диф, (3.8.6)
деDn іDp – коефіцієнти дифузії відповідно електронів і дірок, що залежать від типу напівпровідника, концентрації домішок, температури та стану кристалічної решітки, см 2 /с. При кімнатній температурі коефіцієнти дифузії:
Dn» 100 см 2 /с,Dр» 47 см 2 /с ;
Dn» 30 см 2 /с,Dр» 13 см 2 /с.
Таким чином, у загальному випадку у напівпровіднику слід розглядати чотири складові струму: дрейфовий та дифузійний для носіїв кожного знака.
Загальна щільність струму в напівпровіднику
J=Jn ін+Jn диф+Jр ін+Jр диф =ennnE+ +ennppE (3.8.7)
Знак мінус перед четвертим доданком означає, що дифузія відбувається у напрямку зменшення концентрації , а оскільки дірки несуть позитивний заряд , то дифузійний струм може бути позитивним при .
Якщо за допомогою якогось зовнішнього впливу динамічна рівновага концентрацій електронів і дірок у напівпровіднику порушена, то з'являється додаткованерівноважна концентрація носіїв заряду. Після припинення зовнішнього впливу відбувається процес рекомбінації, і напівпровідник приходить в рівновагу.
Середній час існування носіїв заряду в напівпровіднику зазвичай називаютьчасом життя носіїв, середня відстань, яку проходять за цей час носії,називаютьдифузійною довжиною носіїв заряду.
Дифузійна довжинаL і час життя носіївt пов'язані між собою такими відносинами:
Ln = (3.8.8)
Lp = (3.8.9)
Величина, обернена до часу життя носіїв, визначає швидкість рекомбінації.
Нагадаємо, що розрізняють кілька видів рекомбінації носіїв у напівпровідниках. У найпростішому випадку рекомбінація може розглядатися як прямий перехід електрона із зони провідності у валентну зону на вільний рівень (рис. 3.8.1,а).
 |
Різниця енергії виділяється у вигляді кванта електромагнітного випромінювання чи передається кристалічної решітці як механічних коливань. Інший можливий шлях рекомбінації, який ми вже обговорювали раніше, пов'язаний із поетапним переходом електрона через заборонену зону з використанням проміжних рівнів, які отримали назву центрів рекомбінації або пасток. Наявність у напівпровіднику центрів рекомбінації дозволяє різко зменшити час життя носіїв зарядів, що необхідне створення швидкодіючих напівпровідникових приладів.
На закінчення відзначимо, що на відміну від власних напівпровідників, у яких провідність здійснюється одночасно електронами та дірками, у домішкових напівпровідниках провідність обумовлюється в основному носіями одного знака: електронами у напівпровідниках донорного типу та дірками у напівпровідниках акцепторного типу. Ці носії називаютьосновними.
Крім них, напівпровідники завжди містять і неосновні носії: донорний напівпровідник – дірки, акцепторний напівпровідник – електрони.
Питання для повторення:
1. Які речовинивідносяться до напівпровідників. Класифікація напівпровідників.
2. Дайте визначення власного напівпровідника.
3. Дайте визначення домішкового напівпровідника.
4. Що таке енергія Фермі?
5. Опишіть процес створення носіїв зарядів.
6. Які види рекомбінації ви знаєте?
7. Яку провідність ми називаємо власною.
8. Дайте визначення ефективної маси носіїв заряду
9. Які види домішкових рівнів ви знаєте?
10. Дайте визначення домішкової провідності.
11. На температурній залежності провідності домішкового напівпровідника вкажіть домішкову область, область виснаження та область власної провідності.
12. Як змінюється з температурою положення рівня Фермі у донорному та домішковому напівпровідниках.
13. Що таке дрейфовий струм?
14. Що таке дифузійний струм?
15. Як пов'язані між собою дифузійна довжина та час життя носіїв заряду?
Резюме на тему:
У процесі вивчення теми ми ознайомилися з широким класом речовин – напівпровідниками та деякими поняттями та розділами фізики напівпровідників.