Drift și difuzia purtătorilor de sarcină în semiconductori

Rețineți că proprietățile electrice ale cristalului care conține p-n joncțiune, chiar și aproximativ, nu poate fi descrisă de legea lui Ohm. Legea lui Ohm, care rulează în descrierea conductivității electrice a metalelor, în acest caz, nu se aplică. Acesta este motivul pentru care p-n joncțiunea este uneori numită non-ohmic.

p-n joncțiune se numește un redresor, adică, un dispozitiv care convertește curent alternativ pentru a direcționa curent. În cazul în care p-n joncțiunea este conectat la o sursă de tensiune de curent alternativ, este echivalent cu o foarte frecventă de comutare de tensiune DC a acumulatorului. Pe parcursul unei jumătăți din fiecare perioadă de p-n joncțiune trece printr-un curent ridicat, în timp ce în a doua jumătate a curentului este foarte mic.

6. difuzie și împrăștierea purtătorilor de sarcină în semiconductori.

Anterior abordat problemele de educație a purtătorilor de sarcină în solide cristaline - metale și semiconductori. Curentul electric este cauzat în mișcarea direcțională solidă de purtatori de sarcina sub un câmp electric. Amploarea conductivității depinde de microparameters g de cristal, în special, concentrația de purtători de sarcină de electroni (n) sau găuri (p).

Să presupunem că cristalul are o anumită concentrație de n și p, la o temperatură T a cristalului (vezi. Fig.). U. aplicabile tulpina de cristal în cristal un câmp electric sub acțiunea care electroni și găuri în derivă câștig de viteză

Vdrn = mne și Vdrr = MRE

unde mn, mp - valoarea mobilității electronilor și găuri. respectiv.

Deoarece mișcarea derivă direcțională a purtătorilor de sarcină în cristal valoare I. curentului electric într-o secțiune transversală S într-un timp t va avea loc sarcină Q = enVdrn St + ep Vdrp St sau amperaj va fi egal cu I = S + ep enVdrn Vdrp și S. în consecință, densitatea de curent

j = gE = (enmn + epmp) E = (gn + gp) E (22)

Această expresie nu este nimic mai mult decât legea lui Ohm în formă diferențială. În ceea ce depinde de concentrația de purtători în semiconductori la temperatură, am examinat anterior.

Să ne acum în considerare modul de a muta aceste taxe. Definim fluxul de particule (P) ca numărul de particule care trec pe unitatea de timp printr-o suprafață unitate perpendiculară pe vectorul vitezei particulelor.

Drift de particule încărcate este câmpul electric. Densitatea drefovogo curent este dată de expresia (22). Care derivă purtător de sarcină se produce ca urmare a unui câmp electric extern, și din cauza redistribuire a taxelor, efectul de impurități etc.

mișcarea de difuzie - direcționată mișcarea purtătorilor de sarcină datorită diferitelor valori ale concentrației purtătoare în cea mai mare parte din materiale semiconductoare, adică datorită existenței unui gradient de concentrație (dn / dx, dp / dx). gradient de concentrație pot fi create prin introducerea diferitelor impurități în diferite porțiuni ale semiconductorului, la naprmer granita p-n intersecție.

Este cunoscut faptul că prezența gradientului de concentrare creează o mișcare direcționată a transportatorilor conform legii de difuziune (legea lui Fick):

în cazul în care Dn - coeficientul de difuzie care determină viteza de difuzie. Formula arată că direcția de curgere opusă direcției de creștere a concentrației particulelor (sau vectorului gradient de concentrație).

Deoarece mișcarea de difuzie a particulelor pot fi legate de curentul de difuzie

jdif = jndif + = jpdif -eFn EFR + = EDN (dn / dx) - Edp (dp / dx) (23)

Astfel, curentul electric în semiconductor complicat dependentă mod de concentrația de electroni și găuri și vitezele lor de drift și difuzie.

Este evident că excitarea termică poate transfera întotdeauna un electron din banda de valență la banda de conducție și modificați astfel concentrația ambelor electroni și goluri. Un astfel de proces este numit o generație de purtători de sarcină. (Generarea poate fi cauzată nu numai de mișcare termică, dar, de asemenea. De exemplu photoexcitation de electroni).

Pe de altă parte, în timp ce electronii se deplasează pot trece pentru posturi vacante în banda de valență și astfel concentrația de purtător scade. Un astfel de proces numit recombinare.

Caracteristicile care trece un curent electric printr-o stare de continuitate determinată semiconductoare legate de conservarea semiconductorilor oriunde electrice. În consecință, orice modificare în procesele de producție, recombinarea, difuzia și deriva sunt, de asemenea, interconectate.

Să considerăm un semiconductor, în care mișcarea purtătorilor de sarcină și simultan apar toate procedeele de mai sus: difuzie, recombinare, generarea și deriva sub influența unui câmp electric. Concentrația de electroni și găuri în orice parte a materialului depinde de viteza intrare și ieșire a purtătorilor de sarcină prin difuzie și derivă, precum și de procesele de generare și recombinare într-un ecran dedicat. Rata de schimbare a purtătorilor de sarcină într-un semiconductor descris oriunde în ecuația de continuitate, care, în cazul unidimensional poate fi derivată după cum urmează.

Să considerăm un semiconductor la care o intensitate a câmpului electric E. izola într-o regiune semiconductor cu o lățime de dx în intervalul de la x la x + dx (sm.ris.21). Volumul acestui strat aria secțiunii transversale S este egal cu V = SDX. Să presupunem că numărul de electroni și găuri în ecranul de selecție este egal cu n (x, t) SDX și p (x, t), SDX respectiv. În timpul schimbării dt în numărul de particule este egal cu (de exemplu, electroni):

dn (x, t) SDX = (¶ n / ¶ t) S dx dt

Să ne gândim mai detaliat procesele care au loc în volumul selectat.

Generarea de particule. Modificarea concentrației de particule electroni vozbkzhdeniya datorită benzii de valenta pot fi cauzate de diferite mecanisme de generare. Aceste mecanisme pot fi împărțite în echilibru (la viteze merge) și non-echilibru (g). (Noi nu specifică ce diferența dintre ele). Prin urmare, numărul total de transportatori produse ca urmare a generării volumului SDX pe unitatea de timp este egal cu: (g + go) S dx.

Particulele recombinării. Purtătorii Recombinarea echilibru caracterizat Ro Viteza neechilibru - viteza de recombinare egală (-dn / dt), în care numărul total de purtători. SDX periclitate în volum per unitate de timp este egală.

Difuzia și derivă transportatorilor prin intermediul domeniului de aplicare.

Modificarea numărului de purtători în volumul sonor poate fi, de asemenea, din cauza intrare și ieșire a acestora prin difuziune și derivă. Să presupunem că numărul de purtători care se varsă în volumul selectat pe unitatea de timp este egală cu Vn (x, t) S (Figura 7), iar numărul care rezultă din volum egal Vn (x + dx, t). Apoi, modificarea numărului de particule în volum SDX în timp dt este:

Vn (x, t) Sdt - Vn (x + dx, t) S dt = - (¶ Vn / ¶ x) dx dt S.

Având în vedere cele de mai sus particulele de schimbare completă (electroni în volumul va fi:

¶n / ¶t S dx dt = (g + go) S dx dt - (-dn / dt + Ro) S dx dt - (¶ Vn / ¶ x) dx dt S

Având în vedere faptul că rata de echilibru de generare și recombinare sunt egale cu echilibru prin definiție (go = Ro), obținem: