что такое диффузия носителей в полупроводнике

Что такое диффузия носителей в полупроводнике

§ 13. Диффузионные явления в полупроводниках

Диффузионный ток. Диффузионный поток неравновесных носителей электрических зарядов представляет собой электрический ток, который получил название диффузионного. Диффузионный ток может быть как электронным, так и дырочным. Рассмотрим некоторые характерные особенности и закономерности диффузии неравновесных электронов.

Пусть в полупроводнике концентрация электронов по мере удаления от внешней границы (которой на рисунке 34 соответствует координата x = 0) в глубину падает в соответствии с приведенной на этом рисунке кривой. Рассечем мысленно полупроводник в точке х = х₀ плоскостью, перпендикулярной оси Х и выделим из объема два соседних слоя толщиной Δx. Все электроны, имевшиеся в слое 1 в некоторый начальный момент, в результате беспорядочного теплового движения через некоторое время покинут его. Поскольку вероятности движения электронов вправо и влево одинаковы, то можно считать, что половина электронов из слоя 1 перейдет через плоскость x = x₀. В то же самое время половина электронов из слоя 2, имеющего такую же толщину Δx, пересечет эту плоскость в обратном направлении. Поскольку средняя концентрация электронов n₁ в первом слое больше средней концентрации электронов n₂ в слое 2, то число электронов, пересекающих границу раздела между слоями слева направо, будет больше числа электронов, идущих навстречу. Разность между этими потоками как раз и составит тот результирующий диффузионный поток, наличие которого и определяет появление диффузионного тока.

Рис. 34

Диффузионный поток будет тем больше, чем больше различие между концентрациями электронов в контактирующих слоях. Разница же между n₁ и n₂ определяется значением изменения концентрации электронов на единице длины в направлении, перпендикулярном границе раздела между слоями Плотность электронного диффузионного тока можно выразить формулой

где — так называемый коэффициент диффузии электронов.

В случае акцепторного полупроводника плотность тока, обусловленного движением дырок, выражается аналогичной формулой:

Соотношение Эйнштейна. Коэффициент диффузии D зависит от природы и структуры вещества. Он пропорционален подвижности и носителей и абсолютной температуре Т кристалла:

Дырки преследуют электроны. Интересно отметить, что в однородном полупроводнике диффузия носителей какого-либо одного знака практически не приводит к нарушению условия электронейтральности: при замере концентраций избыточных носителей в любой точке такого полупроводника всегда оказывается, что Δn = Δp. Объясняется это тем, что диффузия носителей одного знака сопровождается одновременным параллельным переносом носителей противоположного знака. Поясним это конкретным примером.

Диффузия и рекомбинация. Процессы диффузии и рекомбинации неравновесных носителей тесно связаны друг с другом. Проиллюстрируем это на примере распространения неравновесных дырок в электронном полупроводнике. Предположим, что на одной из поверхностей полупроводника n-типа имеется источник дырок, создающий на этой грани (при x = 0) некоторую избыточную концентрацию Δp₀ неравновесных дырок. Поскольку внутри полупроводника концентрация дырок меньше, чем у поверхности, то возникает диффузия дырок в глубь полупроводника, то есть появляется диффузионный ток. Если бы внутри полупроводника не происходила рекомбинация носителей, то через дырки достигли бы противоположной грани образца и на всем протяжении полупроводника установилась бы постоянная концентрация Δp₀ избыточных носителей. Однако в действительности такой картины не наблюдается, так как, диффундируя от поверхности, неравновесные дырки рекомбинируют с электронами, движущимися к поверхностному слою изнутри полупроводника, и их концентрация уменьшается от поверхности в глубь образца.

Уменьшение концентрации избыточных дырок по мере удаления от границы полупроводника, на которой создаются избыточные носители, выражается экспоненциальным законом (рис. 35):

Рис. 35

Параметр L (для дырок L_p) называется диффузионной длиной носителей. Величина L_p равна длине, на которой концентрация избыточных дырок уменьшается в e раз.

Связь между процессами диффузии и рекомбинации устанавливается соотношением

Источник

Что такое диффузия носителей в полупроводнике

17. Движение носителей заряда в полупроводниках (дрейф, диффузия).

В соответствии с зонной моделью в полупроводнике имеются два вида подвижных носителей заряда: электроны в зоне проводимости и дырки в валентной зоне. Они могут двигаться под действием температуры ( тепловое движение), электрического поля ( дрейф) и градиента концентрации ( диффузия).

Можно представить, что свободные электроны движутся хаотически через кристаллическую решетку в различных направлениях, сталкиваясь друг с другом и с узлами решетки. При тепловом движении при отсутствии градиента температуры движение системы электронов полностью беспорядочно, так что результирующий ток в любом направлении равен нулю. Столкновения с узлами решетки приводят к обмену энергией между электронами и атомными ядрами, образующими решетку. Воздействие решетки на движение электронов в первом приближении было учтено ранее путем введения эффективной массы. Далее будет более подробно рассмотрено влияние узлов решетки на движение носителей заряда в полупроводнике.

1.5.1. Дрейф свободных носителей заряда. Дрейфом называют направленное движение носителей заряда под действием электрического поля.

Рис.1.13. Движение электронов в полупроводнике под воздействием внешнего электрического поля

Результирующая скорость носителей в направлении приложенного электрического поля называется дрейфовой скоростью , которая пропорциональна напряженности поля

Коэффициент в формуле (1.35) называется подвижностью электронов. Подвижность описывает степень влияния электрического на движение электрона и равна

Совершенно аналогичные рассуждения применимы и к дыркам. Подвижность дырок обозначается и равна

Полная плотность тока дрейфа может быть записана в виде суммы электронной и дырочной составляющих:

(1.39)

В примесных полупроводниках обычно основную роль играет только одно из слагаемых формулы (1.40), так как разница концентраций двух типов подвижных носителей заряда в них очень велика.

Поскольку удельное сопротивление есть величина, обратная удельной проводимости, то

Зависимость удельного сопротивления кремния при комнатной температуре от концентраций примесей доноров или акцепторов приведена на рис.1.14. График построен на основе большого числа измерений удельного сопротивления образцов кремния, содержащих примеси. Этот график широко используется в полупроводниковой промышленности.

Рис.1.14. Зависимость удельного сопротивления кремния от концентрации примеси при температуре 300 К

1.5.3. Диффузия свободных носителей заряда. Рассмотрим еще один вид движения свободных носителей заряда, который возникает под действием градиента концентраций. Такое движение называется диффузией, а ток созданный диффузией носителей заряда называют диффузионным током. В металлах вследствие их высокой проводимости диффузионный ток не играет заметной роли. В полупроводниках же с их более низкой проводимостью и возможностью неоднородного распределения концентраций примесей диффузионный ток играет существенную роль и составляет значительную долю в общем токе.

(1.43)

Первый знак «минус» в формуле (1.43) указывает, что ток диффузии направлен в сторону убывания концентрации электронов. Коэффициент диффузии электронов связан с их подвижностью формулой Эйнштейна

(1.44)

Для дырок плотность тока диффузии и коэффициент диффузии соответственно равны

(1.45)

. (1.46)

Знак «минус» в выражении (1.45) появляется из-за положительного заряда дырок.

Следует отметить отличие диффузии заряженных частиц от диффузии нейтральных частиц. Так диффузия нейтральных частиц продолжается до полного выравнивания концентраций во всем объеме. Диффузия же заряженных частиц протекает несколько иначе, поскольку диффундирующие частицы переносят заряд. В результате, внутри полупроводника около границ участков с различной концентрацией нарушается электрическая нейтральность и возникает внутреннее электрическое поле, препятствующее дальнейшей диффузии. Возникающие в результате диффузии внутренние электрические поля играют существенную роль в работе твердотельных приборов. Эти поля будут подробнее рассмотрены в главе 2.

Помимо описанной выше диффузии носителей заряда, возникающей из-за градиента концентраций, в полупроводниках возможна диффузия из-за различия энергий носителей заряда. Так например, локальное нагревание участка полупроводника может вызвать диффузию носителей из участка с более высокой температурой в участок с более низкой температурой.

1.5.4. Полный ток в полупроводниках. В общем случае направленное движение электронов и дырок в полупроводниках обусловлено двумя процессами: дрейфом под действием электрического поля и диффузией под действием градиента концентраций. Поэтому полная плотность тока в полупроводниках содержит четыре составляющих:

где индексы dr и dif относятся соответственно к дрейфовым и диффузионным составляющим плотности тока.

В одномерном случае, когда движение носителей заряда происходит только вдоль оси х, составляющие плотности тока описываются формулами (1.39), (1.43), (1.45). Для наглядности приведем эти формулы.

Дрейфовые составляющие плотности тока

Диффузионные составляющие плотности тока

Полупроводник, в котором протекает ток, находится в неравновесном состоянии, поэтому для описания процессов в нем можно использовать квазиуровни Ферми (1.29) и (1.30). Применение квазиуровней Ферми позволяет упростить выражения для составляющих плотности тока. Так электронная составляющая плотности тока, представляющая собой сумму дрейфовой и диффузионной составляющих, определяется через квазиуровни Ферми следующим образом:

Аналогично для дырок

Формулы (1.52) и (1.53) показывают, что полная плотность тока для каждого типа свободных носителей заряда пропорциональна градиенту квазиуровня Ферми соответствующего типа носителей вдоль оси х. Это компактное написание может быть очень удобным при использовании энергетических зонных диаграмм для описания полного тока в твердотельном приборе.

В заключение следует отметить, что обычно в полупроводнике превалирует какая-нибудь одна составляющая тока, поэтому выражение (1.47) используется достаточно редко.

Источник

Токи в полупроводниках

Электропроводность полупроводника обусловлена направленным пе­ремещением в нем носителей заряда – электронов и дырок. Различают электронную и дырочную электропроводности полупроводника.

Направленное движение носителей может быть вызвано двумя незави­симыми друг от друга факторами – действием электрического поля и не­равномерным распределением носителей по объёму полупроводника. Различают два процесса прохождения тока в кристалле полупроводника – дрейф и диффузию.

Диффузия – перемещение свободных носителей заряда из области их большей концентрации к области с меньшей концентрацией. Условие диффузии – наличие градиента концентрации носителей в объёме полу­проводника.

Дрейфом называют направленное движение носителей под действием электрического поля напряженностью E= – dU / dx.

Дрейфовый ток

При воздействии на полупроводник электрического поля наряду с хао­тическими перемещениями носителей начинается их упорядоченное дви­жение. Свободные электроны перемещаются между узлами кристалличе­ской решетки в направлении, противоположном действию вектора напря­женности поля E.

Пока дрейфовые скорости малы по сравнению с тепловыми, средняя скорость дрейфа прямо пропорциональна напряженности поля

Коэффициент пропорциональности называют подвижностью носителе­й. Подвижность определяет скорость дрейфа носителей в элек­трическом поле напряженностью 1В/см и измеряется в см 2 /Вс.

Подвижность носителей зависит от их вида и концентрации, темпера­туры полупроводника и напряженности электрического поля в нём. Под­вижность носителей прямо пропорциональна длине их свободного про­бега. Эта длина у свободных электронов больше, чем у дырок. Поэтому подвижность свободных электронов превышает в 2–3 раза подвижность дырок. Чем больше подвижность, тем выше быстродействие полупровод­никовых приборов.

Тогда плотность электронного тока

плотность дырочного тока

Результирующая плотность дрейфового тока полупроводника опреде­ляется суммой его электронной и дырочной составляющих

Удельная электрическая проводимость собственного полупроводника

Таким образом, электрические свойства однородного собственного по­лупроводника определяются концентрацией носителей и их подвиж­ностью.

В полупроводнике n-типа n_n> p_p, и его удельная электропроводность с достаточной степенью точности может быть определена выражением

В полупроводнике p-типа p_p> n_p, и удельная электропроводность такого полупроводника

В области высоких температур концентрация электронов и дырок зна­чительно возрастает за счёт разрыва ковалентных связей, и, несмотря на уменьшение их подвижности, электропроводность полупроводника уве­ли­чивается по экспоненциальному закону.

Диффузионный ток

Электрический ток в полупроводниках может быть обусловлен не только внешним электрическим полем, но и неравномерным распределе­нием носителей заряда по объему кристалла. В этом случае носители, со­вершая хаотические тепловые перемещения, движутся из области боль­шей их концентрации к области меньшей концентрации.

где D_p – коэффициент диффузии. Он определяет число дырок, диф­фун­ди­рующих за 1 с через 1см 2 поверхности проводника при dp/dx = 1. Коэф­фициент диффузии носителей связан с их подвижностью соотноше­нием Эйнштейна:

где φ_T – температурный потенциал.

Поскольку подвижность электронов превышает подвижность дырок,
D_n>> D_p.

Диффузионный ток считают положительным, если перемещение дырок совпадает с направлением выбранной оси x. Диффузия всегда происходит в направлении убывания концентрации, поэтому в формулу плотности диффузионного тока введён знак минус, так что при dp/dx 0.

Диффузионный поток электронов движется также в сторону уменьше­ния его концентрации. Однако в соответствии с принятым в электротех­нике условным направлением электрического тока, противоположным на­правлению движения электронов, диффузионный ток j_{диф n} считают на­правленным в сторону увеличения концентрации электронов, поэтому

Таким образом, при неравномерной концентрации подвижных носите­лей результирующая плотность диффузионного тока

В полупроводнике могут иметь место и электрическое поле, и гради­енты концентрации носителей. Тогда ток полупроводника содержит и дрейфовые и диффузионные составляющие:

Если за счёт 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. Избыточная концентрация начнёт убывать по экспоненциальному за­кону. Период, в течение которого избыточная концентрация уменьшится в 2,7 раза, называют временем жизни неравновесных носителей \(\tau _\). Этой величиной характеризуют изменение избыточной концентрации во вре­мени.

Рекомбинация неравновесных носителей происходит внутри полупро­водника и на его поверхности и сильно зависит от примесей, а также от состояния поверхности. Значения \(\tau _\) для германия и кремния в различных случаях могут быть от долей микросекунды до сотен микросекунд и более.

При диффузионном распространении неравновесных носителей, на­пример электронов, вдоль полупроводника концентрация их вследствие рекомбинации также убывает с расстоянием по экспоненциальному за­кону. Расстояние L_n, на котором избыточная концентрация неравновесных носителей уменьшается в 2,7 раза, называют диффузионной длиной.
Та­ким образом, убывание избыточной концентрации происходит во времени и в пространстве, и поэтому величины \(\tau _\) и L_n оказываются связанными друг с другом следующей зависимостью:

1. Что такое разрешенные и запрещенные зоны?

2. Что такое уровень Ферми?

3. Что такое собственный полупроводник?

4. Что такое диффузия и дрейф носителей заряда?

5. Что такое подвижность носителей заряда?

6. Как примеси влияют на характеристики полупроводника?

7. Что такое электронный и дырочный полупроводники?

8. Какова энергия Ферми в примесных полупроводниках?

9. Как объяснить температурную зависимость концентрации носителей заряда в полупроводниках?

10. Какими физическими факторами объясняется температурная зави­симость подвижности носителей заряда?

Источник

Что такое диффузия носителей в полупроводнике

Ольга Александровна Косарева

Шпаргалка по общей электротехники и электроники

1. ИСТОРИЯ ЭЛЕКТРОНИКИ

Фундамент для возникновения и развития электроники был заложен работами физиков в XVIII и XIX вв. Первые в мире исследования электрических разрядов в воздухе были осуществлены в XVIII в. в России академиками Ломоносовым и Рихманом и независимо от них американским ученым Франклином. Важным событием явилось открытие электрической дуги академиком Петровым в 1802 г. Исследования процессов прохождения электрического тока в разреженных газах проводили в прошлом веке в Англии Крукс, Томсон, Тоунсенд, Астон, в Германии Гейслер, Гитторф, Плюккер и др. В 1873 г. Лодыгин изобрел первый в мире электровакуумный прибор – лампу накаливания. Независимо от него несколько позже такую же лампу создал и усовершенствовал американский изобретатель Эдисон. Электрическая дуга впервые была применена для целей освещения Яблочковым в 1876 г. В 1887 г. немецкий физик Герц открыл фотоэлектрический эффект.

Термоэлектронная эмиссии была открыта в 1884 г. Эдисоном. В 1901 г. Ричардсон провел детальное исследование термоэлектронной эмиссии. Первая электронно-лучевая трубка с холодным катодом была создана в 1897 г. Брауном (Германия). Использование электронных приборов в радиотехнике началось с того, что в 1904 г. английский ученый Флеминг применил двухэлектродную лампу с накаленным катодом для выпрямления высокочастотных колебаний в радиоприемнике. В 1907 г. американский инженер Ли-де-Форест ввел в лампу управления сетку, т. е. создал первый триод. В том же году профессор Петербургского технологического института Розинг предложил применить электронно-лучевую трубку для приема телевизионных изображений и в последующие годы осуществил экспериментальное подтверждение своих идей. В 1909-191 1 гг. в России Коваленков создал первые триоды для усиления дальней телефонной связи. Важное значение имело изобретение подогревного катода Чернышевым в 1921 г. В 1926 г. Хелл в США усовершенствовал лампы с экранирующей сеткой, а в 1930 г. он предложил пентод, ставший одной из наиболее распространенных ламп. В 1930 г. Кубецкий изобрел фотоэлектронные умножители, в конструкции которых значительный вклад внесли Векшин-ский и Тимофеев. Первое предложение о специальных передающих телевизионных трубках сделали независимо друг от друга в 1930–1931 гг. Константинов и Катаев. Подобные же трубки, названные иконоскопами, построил в США Зворыкин.

Изобретение таких трубок открыло новые широкие возможности для развития телевидения. Несколько позднее в 1933 г. Шмаков и Тимофеев предложили новые более чувствительные передающие трубки (супериконоскопы или суперэмитроны), позволившие вести телевизионные передачи без сильного искусственного освещения. Русский радиофизик Рожановский в 1932 г. предложил создать новые приборы с модуляцией электронного потока по скорости. По его идеям Арсеньева и Хейль в 1939 г. построили первые такие приборы для усиления и генерации колебаний СВЧ, названные пролетными клистронами. В 1940 г. Коваленко изобрел более простой отражательный клистрон, который широко используется для генерирования колебаний СВЧ.

Большое значение для техники дециметровых волн имели работы Девяткова, Данильцева, Хохлова и Гуревича, которые в 1938–1941 гг. сконструировали специальные триоды с плосковыми дисковыми электродами. По этому принципу в Германии были выпущены металлокерамические и в США ма-ячковые лампы.

2. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ

По сравнению с электронными лампами у полупроводниковых приборов имеются существенные достоинства:

1) малый вес и малые размеры;

2) отсутствие затрат энергии на накал;

3) более высокая надежность в работе и большой срок службы (до десятка тысяч часов);

4) большая механическая прочность (стойкость к тряске, ударам и другим видам механических перегрузок);

5) различные устройства (выпрямители, усилители, генераторы) с полупроводниковыми приборами имеют высокий КПД, так как потери энергии в самих приборах незначительны;

6) маломощные устройства с транзисторами могут работать при очень низких питающих напряжениях;

7) принципы устройства и работы полупроводниковых приборов использованы для создания нового важного направления развития электроники – полупроводниковой микроэлектроники.

Вместе с тем полупроводниковые приборы в настоящее время обладают следующими недостатками:

1) параметры и характеристики отдельных экземпляров приборов данного типа имеют значительный разброс;

2) свойства и параметры приборов сильно зависят от температуры;

3) наблюдается изменение свойств приборов с течением времени (старение);

4) их собственные шумы в ряде случаев больше, нежели у электронных приборов;

5) большинство типов транзисторов непригодно для работы на частотах выше десятков мегагерц;

6) входное сопротивление у большинства транзисторов значительно меньше, чем у электронных ламп;

7) транзисторы пока еще не изготавливают для таких больших мощностей, как электровакуумные приборы;

8) работа большинства полупроводниковых приборов резко ухудшается под действием радиоактивного излучения.

Транзисторы успешно применяются в усилителях, приемниках, передатчиках, генераторах, телевизорах, измерительных приборах, импульсных схемах, электронных счетных машинах и др. Использование полупроводниковых приборов дает огромную экономию в расходовании электрической энергии источников питания и позволяет во много раз уменьшить размеры аппаратуры.

Ведутся исследования по улучшению полупроводниковых приборов по применению для них новых материалов. Созданы полупроводниковые выпрямители на токи в тысячи ампер. Применение кремния вместо германия позволяет эксплуатировать приборы при температуре до 125″ С и выше. Созданы транзисторы для частот до сотен мегагерц и более, а также новые типы полупроводниковых приборов для сверхвысоких частот. Замена электронных ламп полупроводниковыми приборами успешно осуществлена во многих радиотехнических устройствах. Промышленность выпускает большое количество полупроводниковых диодов и транзисторов различных типов.

3. ДВИЖЕНИЕ ЭЛЕКТРОНОВ В ОДНОРОДНОМ ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ

Взаимодействие электронов с электрическим полем является основным процессом в электровакуумных и полупроводниковых приборах.

Если разность потенциалов между электродами U, а расстояние между ними d, то напряженность поля равна: Е= U/d. Для однородного электрического поля величина Е является постоянной.

Пусть из электрода, имеющего более низкий потенциал, например из катода, вылетает электрон с кинетической энергией W0 и начальной скоростью v0, направленной вдоль силовых линий поля. Поле действует на электрон и ускоряет его движение к электроду, имеющему более высокий потенциал, например к аноду. То есть электрон притягивается к электроду с более высоким потенциалом. В данном случае поле называется ускоряющим.

В ускоряющем поле происходит увеличение кинетической энергии электрона за счет работы поля по перемещению электрона. В соответствии с законом сохранения энергии увеличение кинетической энергии электрона W-W0 равно работе поля, которая определяется произведением перемещаемого заряда е на пройденную им разность потенциалов U: W-W! = mv 2 /2 – mv 2 ₀/2 = eU. Если начальная скорость электрона равна нулю, то W₀ = mv 2 ₀/2 = 0 и W=mv 2 /2 = eU, т. е. кинетическая энергия электрона равна работе поля. Скорость электрона в ускоряющем поле зависит от пройденной разности по’тенциалов.

Источник