Диффузия носителей заряда в полупроводниках

В полупроводниках помимо дрейфа носителей может протекать еще диффузионный ток, причиной которого является разность концентрации носителей. Если носители заряда равномерно распределены по полупроводнику, то их концентрация является равномерной. По влиянием каких-либо внешних воздействий в разных частях полупроводника концентрация может стать неодинаковой, неравновесной. Например, если часть полупроводника подвергнуть воздействию излучения, то в ней усилится генерация пар носителей и возникнет дополнительная –избыточная концентрация. Так как носители имеют собственную кинетическую энергию, то они всегда переходят из мест с более высокой концентрацией в места с меньшей, т.е. стремятся к выравниванию концентрации по всему объему полупроводника. Такое движение носителей называется диффузией. Диффузионное движение носителей под действием градиента концентрации называется диффузионным током i_ДИФ, который так же, как и ток проводимости (ток дрейфа) может быть электронным и дырочным.

Если за счет какого-то внешнего воздействия в некоторой части полупроводника создана избыточная концентрация носителей, а затем это воздействие было прекращено, то избыточные носители будут рекомбинировать и распространяться путем диффузии в другие части полупроводника. Избыточная концентрация начнет убывать по экспоненциальному закону (рис. 1.8, а). Время, в течение которого она уменьшится в 2,7 раза (в число е раз), т.е. станет равной 0,37 первоначального значения n₀, называется временем жизни неравновесных носителей t_n. Этой величиной характеризуют процесс убывания избыточной концентрации во времени. Значение t_n составляет порядка от долей мкс до сотен мкс и более. При диффузионном распространении носителей вдоль полупроводника их концентрация убывает с расстоянием по экспоненциальному закону (рис.1.8, б).

Расстояние L_n, на котором избыточная концентрация неравновесных носителей уменьшается в 2,7 раз, т.е. становится равной 0,37 от первоначального значения n₀, называют диффузионной длиной. Она характеризует убывание избыточной концентрации в пространстве полупроводника.

Величины t_n и L_n оказываются связанными следующей зависимостью:

L_n = Ö D_nt_n , (1.3)

где D_n- коэффициент диффузии, который характеризует интенсивность процесса диффузии. Он пропорционален подвижности носителей, различен для различных веществ и зависит от температуры. При комнатной температуре для германия D_n = 98 см²/с, а для кремния D_n = 34 см²/с.

Все сказанное относится также и к избыточной концентрации дырок, однако значения t_n и L_n получаются иными и D_n = 47 см²/с для германия; D_n = 12 см²/с для кремния.

В Приложении 1 приведены основные параметры полупроводников: германия, кремния и арсенида галлия, наиболее широко используемые для изготовления электронных приборов.

Контрольные вопросы

1. Изобразите и поясните зонные энергетические диаграммы проводника, диэлектрика и полупроводника.

2. В чем отличие зонных энергетических диаграмм диэлектрика и полупроводника?

3. Почему электропроводность металла выше, чем у диэлектриков и полупроводников?

4. Почему с повышением температуры проводимость диэлектриков и полупроводников увеличивается?

5. Почему с повышением температуры сопротивление проводников уменьшается?

6. Какая связь между атомами называется ковалентной (парноэлектронной)?

7. Какие полупроводниковые материалы используются для изготовления полупроводниковых приборов и какую они имеют валентность?

8. В каком соотношении находятся удельная электрическая проводимость металлов, диэлектриков и полупроводников?

9. Что называется удельной электрической проводимостью вещества, в каких единицах она измеряется?

10. Поясните механизм возникновения дырочной электропроводности полупроводника.

11. Поясните механизм перемещения дырки под влиянием приложенной разности потенциалов. Какие электроны (проводимости или валентные) участвуют в дырочной электропроводности?

12. Под действием каких факторов может возникнуть генерация пар носителей?

13. Какое явление называется рекомбинацией пар носителей?

14. Какой полупроводник называется собственным?

15. Что называется концентрацией носителей заряда?

16. Приведите обозначения концентрации электронов и дырок в собственном полупроводнике.

17. В каком соотношении находятся концентрации носителей в собственном полупроводнике?

18. Приведите сравнительный анализ концентрации носителей заряда и удельного сопротивлении в металле и полупроводнике.

19. Какое движение носителей называется дрейфом?

20. Из каких составляющих состоит ток дрейфа?

21. С какой целью производится легирование полупроводников?

22. Полупроводник какого типа получается при легировании собственного полупроводника донорной примесью?

23. Поясните механизм образования полупроводника n-типа.

24. Какой полупроводник называется электронным?

25. Поясните зонную энергетическую диаграмму полупроводника n-типа.

26. Полупроводник какого типа получается при легировании собственного полупроводника акцепторной примесью?

27. Поясните механизм образования полупроводника р-типа.

28. Какой полупроводник называется дырочным?

29. Поясните зонную энергетическую диаграмму полупроводника р-типа.

30. Какие примеси называются донорными и акцепторными, какие вещества используются в качестве примесей, какую валентность они имеют?

31. В каком соотношении находятся концентрации носителей собственного полупроводника и примеси?

32. Какие носители называются основными и неосновными?

33. Докажите, что ничтожно малое количество примеси существенно изменяют характер электропроводности и проводимость.

34. Какие требования предъявляются к содержанию посторонних примесей в собственном полупроводнике?

35. Какое явление называется диффузией носителей?

36. Назовите причины возникновения диффузионного движения носителей?

37. Какие носители называются неравновесными?

38. Что называется временем жизни неравновесных носителей?

39. Что называется диффузионной длиной?

40. По какому закону изменяется избыточная концентрация неравновесных носителей полупроводника во времени и пространстве?