Скорость дрейфа
Vдр,ср= (q/m) E =
q – заряд электрона;
m – масса электрона;
E – напряженность электрического поля
Коэффицент пропорциональности называется подвижностью электронов,
т. е. подвижность - величина, численно равная средней скорости их направленного движения в электрическом поле с напряженностью, равной 1В/м.
п/п |
Ge |
Si |
GaAs |
SiC |
n [м2/в.с] |
0.39 |
0.13 |
1 |
0.02-0.1 |
p [м2/в.с] |
0.19 |
0.05 |
0.04 |
5.10-4 |
Во всех практически используемых п/п при Т=300К подвижность падает с ростом поля, в сильных полях ~1/E , т.е Vдрейф~ const~5.104 м/сек (Е~5кВ/см)
пример: U=1B; l=100нм (100 10-9м); тогда E=10 кВ/см) [E=U/l]
Рис.3.6 Зависимость дрейфовой скорости от напряженности электрического поля
В результате дрейфа электронов в полупроводнике появляется электронная составляющая плотности дрейфового тока (А/м2), которую запишем на основании закона Ома:
Jn др = qnnE
q - заряд электрона. n –концентрация электронов в п/п.
Аналогично, дырочная составляющая плотности дрейфового тока
JP др = qpPE
Полная плотность дрейфового тока при наличии свободных электронов и дырок равна сумме электронной и дырочной составляющих:
J др = qnnE + qpPE
n, p – концентрации свободных носителей.
Закон Ома в дифференциальной форме:
плотность тока ~ напряженность эл. поля *удельную проводимость (-коэффициент)
J = E = (1/E 5
Сравнивая 5 и , тогда удельная проводимость
= nqn + pqp 6
Ток c плотностью J через площадку S равен
I = JS 7
Диффузия носителей заряда
Поведение свободных электронов и дырок в полупроводнике напоминает поведение молекул газа. Эту аналогию можно распространить на явления происходящие в результате неравномерной концентрации носителей заряда в объеме п/п.
диффузия — движение носителей заряда из-за неравномерности концентрации, выравнивание концентрации носителей по объему проводника.
Рис, 4.1 Диффузия неравновесных носителей
Воздействуем на п/п импульсом внешнего излучения (рис. 4.1)
Изменение концентрации неравновесных носителей заряда после окончания импульса – на графике рис. 4.1.
Теоретической основой диффузии является закон Фика:
Пm = - Dm grad m (4.1)
где m – концентрация свободных носителей.
В одномерном случае (по координате Х)
Пm = - Dm (dm/dx) (4.2)
Закон Фика: плотность потока свободных носителей (1/см2*с) пропорциональна градиенту их концентрации, взятому с обратным знаком (т.к. диффузионный ток направлен в сторону уменьшения концентрации)
Козффициент пропорциональности Dm называется коэффициентом диффузии (м2/с), равный абсолютному значению отношения плотности потока частиц к градиенту их концентрации.
Пример: Dn Ge=0.01 м2/с, Dn GaAs=0.025 м2/с Dn Si=0.0033 м2/с
Плотность диффузионного тока (j = I/S)
Jn дифф = qDn gradn; Jp дифф =qDp gradp (4.3)
где n, p – концентрации неравновесных носителей в п/п.
Одновременно с процессом диффузии неравновесных носителей происходит процесс их рекомбинации. Поэтому избыточная концентрация уменьшается в направлении от места источника этой избыточной концентрации носителей.
Расстояние, на котором при одномерной диффузии в полупроводнике без электрического поля в нем, избыточная концентрация носителей заряда уменьшается вследствие рекомбинации в е = 2,718 ... раза, называют диффузионной линой (L).
Иначе говоря, это расстояние, на которое носитель диффундирует за время жизни.
Диффузионная длина связана с временем жизни носителей соотношениями
Ln = (Dn n)0,5 Lp = (Dp p)0,5 (4.4)
Пример: среднее время жизни до рекомбинации n=10-7- 10-9c
L= (10-9c*0.01 м2/с)0,5=3 10-6м
Не следует путать диффузионную длину с длиной свободного пробега lср носителей заряда.
Пример: VT=105м/с, tср=10-11-10-12с, lср=10-6-10-7м
Параметры дрейфового и диффузионного движения связаны соотношением Эйнштейна
Dn = (kT/q)n = Tn Dp =(kT/q)P = TP (4.5)
где T имеет размерность потенциала (В) и называется температурным потенциалом, при Т=300К.
T = 0.026В (26 мВ)