5. Неравновесное состояние полупроводника
Неравновесное состояние полупроводника возникает под влиянием каких-либо внешних воздействий, в результате которых концентрация носителей заряда в полупроводнике может измениться. Такими внешними воздействиями могут быть облучение светом, ионизирующее облучение, воздействие сильного электрического поля, приводящее к разрыву ковалентных связей, и ряд других. В результате подобных воздействий в полупроводнике помимо равновесных носителей заряда, образующихся при ионизации примесных атомов и тепловой генерации, появляются дополнительные носители заряда, которые называют неравновесными или избыточными.
В полупроводниковых приборах неравновесное состояние в большинстве случаев возникает при введении (или выведении) в полупроводник неосновных носителей заряда через электронно-дырочный переход. Введение через электронно-дырочный переход дополнительных носителей заряда называют инжекцией, а выведение экстракцией.
Рассмотрим процессы, происходящие при инжекции электронов в дырочный полупроводник (рис.5.1.а). Введение электронов ведет к появлению в поверхностной области избыточной концентрации электронов nизб, в результате чего нарушается электронейтральность полупроводника, из-за чего возникает внутреннее электрическое поле, притягивающее дырки из глубины полупроводника к поверхности и на поверхности появляется избыточная концентрация дырокризб, которая примерно равна избыточной концентрации электронов.Время, в течение которого происходит этот процесс, называютвременем диэлектрической релаксации. Оно составляет около 10-12с. Для того, чтобы существовало внутреннее поле, удерживающее дырки у поверхности, избыточная концентрация дырок должна быть меньше избыточной концентрации электронов.
Увеличение концентрации электронов на поверхности дырочного полупроводника неизбежно ведет к их диффузии вглубь полупроводника. Диффундирующие электроны встречаются с дырками и рекомбинируют, на смену рекомбинировавшим электронам из внешней цепи поступают новые электроны, а на смену рекомбинировашим дыркам из глубины полупроводника поступают новые дырки. В результате концентрация электронов уменьшается вдоль оси х:
n(х)=np+nизб(х).
В каждом сечении х выполняется приблизительное условие электронейтральности, поэтому распределение избыточной концентрации дырок имеет такой же характер, как и распределение избыточной концентрации электронов:
p(х)=pp+pизб(х).
Однако физические причины, вызывающие увеличение концентрации электронов и дырок, различны. Возрастание концентрации электронов вызвано инжекцией электронов в полупроводник из внешней цепи, а возрастание концентрации дырок вызвано существованием внутреннего злектрического поля, которое притягивает дырки из глубины полупроводника. Распределение концентрации электронов и дырок вдоль оси х показано на рис.5.1,б.
Диффузия электронов создает ток диффузии. Плотность тока диффузии электронов пропорциональна градиенту концентрации:
(5.1.),
где Dn— коэффициент диффузии электронов, равный 99 см2/с для германия и 34 см2/с для кремния; он характеризует количество электронов, проходящих через площадку в 1 квадратный сантиметр за 1 секунду.
Поскольку градиент концентрации уменьшается вдоль оси х, то соответственно происходит уменьшение тока диффузии (рис5.1,в).
Так как существует градиент концентрации дырок, то одновременно с диффузией электронов должна возникнуть диффузия дырок и соответственно ток диффузии дырок
, (5.2)
где Dp— коэффициент диффузии дырок, равный 43 см2/с для германия и 13 см2/с для кремния.
Однако
диффузии дырок препятствует внутреннее
электрическое поле, являющееся причиной
возникновения тока проводимости,
плотность которого равна.
.
На рис. 5.1,в показаны три составляющих
тока. Ток проводимости и ток диффузии
дырок направлены навстречу друг другу,
результирующий дырочный ток равен
.
Физически возникновение дырочного тока
обусловлено притяжением дырок
инжектированными электронами. Дырки,
притягиваемые инжектированными
электронами, встречаясь с ними,
рекомбинируют, поэтому дырочный ток
называюттоком
рекомбинации.
Этот ток показан на рис.5.1,г.
Рис.5.1
В любом сечении х величина тока рекомбинации пропорциональна количеству дырок, рекомбинировавших в объеме, расположенном левее этого сечения. Этим объясняется возрастание дырочного тока вдоль оси х. В каждом сечении х сумма электронного и дырочного токов имеет одну и ту же величину.
При экстракции электронов из дырочного полупроводника протекают похожие процессы (рис.5.2): уменьшается концентрация электронов на поверхности полупроводника, появляется градиент концентрации и, как следствие, возникает диффузия электронов. При этом ток диффузии изменяет свое направление. Экстракция электронов ведет к нарушению электронейтральности и возникновению внутреннего поля, в результате чего появляется дырочный ток, который называют током генерации.
p xP pp np n,p + + +
Рис.5.2
Аналогичные процессы происходят и в электронном полупроводнике при инжекции (или экстракции) в него дырок с той лишь разницей, что электроны и дырки меняются ролями.