Ольга Косарева - Шпаргалка по общей электронике и электротехнике

В полупроводниках, помимо тока проводимости, может быть еще диффузионный ток, причиной возникновения которого является не разность потенциалов, а разность концентраций носителей. Выясним сущность этого тока.

Если концентрация носителей заряда распределена равномерно по полупроводнику, то она является равновесной. Под влиянием каких-либо внешних воздействий в разных частях полупроводника концентрация может стать неодинаковой, т. е. неравновесной. Например, если часть полупроводника подвергнуть действию излучения, то в ней усилится процесс генерации пар носителей и возникнет дополнительная концентрация носителей, называемая избыточной.

Так как носители имеют собственную кинетическую энергию, то они всегда стремятся переходить из мест с более высокой концентрацией в места с меньшей концентрацией,т. е. стремятся к выравниванию концентрации.

Явление диффузии наблюдается для многих частиц вещества, а не только для подвижных носителей заряда. Всегда причиной диффузии является неодинаковость концентрации частиц, а сама диффузия совершается за счет собственной энергии теплового движения частиц.

Диффузное движение подвижных носителей заряда (электронов и дырок) представляет собой диффузный ток /. Этот ток так же, как ток проводимости, может быть электронным или дырочным. Плотности этих токов определяются следующими формулами: i = eDn ? n /?x и ip = – eDp? p /?x, где величины ? n /?x и ? с /?x являются так называемыми градиентами концентрации, а Dn и Dp – коэффициенты диффузии. Градиент концентрации характеризует, насколько резко меняется концентрация вдоль расстояния х, т. е. каково изменение концентрации n или pна единицу длины. Если разности концентрации нет, то ? n=0 или ? p =0 и никакого тока диффузии не возникает. А чем больше изменение концентрации ?n или ? p на данном расстоянии ?x, тем больше ток диффузии.

Коэффициент диффузии характеризует интенсивность процесса диффузии. Он пропорционален подвижности носителей, различен для разных веществ и зависит от температуры. Коэффициент диффузии для электронов всегда больше, чем для дырок.

Знак «минус» в правой части формулы для плотности дырочного диффузионного тока поставлен потому, что дырочный ток направлен в сторону уменьшения концентрации дырок.

Если за счет какого-то внешнего воздействия в некоторой части полупроводника создана избыточная концентрация носителей, а затем внешнее воздействие прекратилось, то избыточные носители будут рекомбинировать и распространяться путем диффузии в другие части полупроводника.

Величина, характеризующая процесс убывания избыточной концентрации во времени, называется временем жизни неравновесных носителей.

Рекомбинация неравновесных носителей происходит в объеме полупроводника и на его поверхности и сильно зависит от примесей, а также от состояния поверхности.

При диффузном распространении неравновесных носителей, например электронов, вдоль полупроводника концентрация их вследствие рекомбинации также убывает с расстоянием.

Область на границе двух полупроводников с различными типами электропроводности называется электронно-дырочным,или р-п-переходом.

Электронно-дырочный переход обладает свойством несимметричной проводимости, т. е. имеет нелинейное сопротивление. Работа большинства полупроводниковых приборов, применяемых в радиоэлектронике, основана на использовании свойств одного или нескольких р-п-переходов. Рассмотрим физические процессы в таком переходе.

Пусть внешнее напряжение на переходе отсутствует. Так как носители заряда в каждом полупроводнике совершают беспорядочное тепловое движение, т. е. имеются собственные скорости, то происходит их диффузия (проникновение) из одного полупроводника в другой. Носители перемещаются оттуда, где их концентрация велика, туда, где концентрация мала. Таким образом, из полупроводника п-типа в полупроводник р-типа диффундируют электроны, а в обратном направлении из полупроводника р-типа в полупроводник п-типа диффундируют дырки.

В результате диффузии носителей по обе стороны границы раздела двух полупроводников с различным типом электропроводности создаются объемные заряды различных знаков. В области п возникает положительный объемный заряд. Он образован главным образом положительно заряженными атомами до-норной примеси и в небольшой степени пришедшими в эту область дырками. Подобно этому в области р возникает отрицательный объемный заряд, образованный отрицательно заряженными атомами акцепторной примеси и отчасти пришедшими сюда электронами.

Между образовавшимися объемными зарядами возникает так называемая контактная разность потенциалов и электрическое поле.

В р-п-переходе возникает потенциальный барьер, препятствующий диффузионному переходу носителей.

Чем больше концентрация примесей, тем выше концентрация основных носителей и тем большее количество их диффундирует через границу. Плотность объемных зарядов возрастает и увеличивается контактная разность потенциалов, т. е. высота потенциального барьера. При этом толщина р-п-перехода уменьшается.

Одновременно с диффузным перемещением основных носителей через границу происходит и обратное перемещение носителей под действием электрического поля контактной разности потенциалов. Это поле перемещает дырки из п-области обратно в р-область и электроны из р-области обратно в п-область. При определенной температуре р-п-переход находится в состоянии динамического равновесия. Каждую секунду через границу в противоположных направлениях диффундирует определенное количество электронов и дырок, а под действием поля такое же их количество дрейфует в обратном направлении.

Перемещение носителей за счет диффузии является диффузионным током, а движение носителей под действием поля представляет собой ток проводимости. При динамическом равновесии перехода эти токи равны и противоположны по направлению. Поэтому полный ток через переход равен нулю, что и должно быть при отсутствии внешнего напряжения. Каждый из токов имеет электронную и дырочную составляющие. Величины этих составляющих различны, так как они зависят от концентрации и подвижности носителей. Высота потенциального барьера всегда автоматически устанавливается именно такой, при которой наступает равновесие, т. е. диффузионный ток и ток проводимости взаимно компенсируют друг друга.