1.4. Однородный и неоднородный полупроводник

Если концентрация атомов примеси распределена равномерно по всему объему полупроводника, то и концентрация свободных носителей тока также распределена равномерно по всему объему. Такой полупроводник называют однородным. Полупроводник с неравномерным распределением примеси, а, следовательно, и с неравномерным распределением концентраций свободных носителей, называют неоднородным. В неоднородном полупроводнике возникают градиенты потенциалов (внутренние электрические поля) и градиенты концентрации свободных носителей или .

1.5. Неравновесная концентрация носителей

В полупроводнике можно увеличить концентрацию носителей сверх равновесной, например, освещением кристалла, нагревом его сверх установившейся температуры или введением носителей извне. Концентрация носителей при этом будет превышать равновесную на величину избыточной концентрации ∆п ( или ∆р), а общая концентрация будет неравновесной. При появлении избыточной концентрации появляются электрическое поле и градиент концентрации (или ). Процесс появления избыточных носителей называют возмущением, а факторы, вызывающие его, - возмущающими.

Важную роль в работе полупроводниковых приборов играют процессы возмущения (появления избыточных носителей) неосновных носителей в примесных полупроводниках. Пусть, например, освещена область ∆x кристалла полупроводника n-типа. Под действием света повышается интенсивность генерации собственных носителей p_i , n_i . Концентрация дырок p_п и электронов n_n при этом увеличивается на одинаковую величину ∆p_п и ∆n_n, но и ∆n_n почти не изменит очень высокую (n_n » p_п) концентрацию основных носителей. В то же время ∆p_п резко изменит равновесную концентрацию неосновных носителей p_п до неравновесной концентрации p_по (p_по = p_п+ ∆p_п) (рис.1.6,а). Избыточные носители ∆p_п начнут распространяться из области возмущения ∆x в области с меньшей концентрацией (такой процесс называется диффузией). За пределами области возмущения ∆х нет дополнительной генерации (не действует возмущающий фактор), поэтому избыточные дырки рекомбинируют через среднее время жизни _p , успевая распространяться на некоторое расстояние от области возмущения, определяемое средней длиной диффузии L_p. Уменьшение концентрации от неравновесной p_по до равновесной p_п за пределами возмущения происходит по экспоненте с постоянной L_p. Возмущение неосновных носителей (∆p_п) часто вызывается инжекцией (введением из вне) избыточных носителей дырочной области. После прекращения действия возмущающего фактора (прекращения освещения) концентрация дырок уменьшается от неравновесной p_по до равновесной p_n по экспоненте с постоянной _p (рис.1.6,б) (скорость исчезновения избыточных неосновных носителей определяется временем жизни _p). Аналогичные процессы будут происходить при возмущении и в полупроводнике р-типа для неосновных носителей - электронов с концентрацией n_р, средней длиной диффузии L_п и средним временем жизни электронов _n .

Рис. 1.6

Скорость восстановления равновесного состояния полупроводника после возмущения (или скорость исчезновения избыточных, основных и неосновных носителей) оценивают средним временем жизни  с учетом времени жизни основных и неосновных носителей:

.

Для дырочного полупроводника _p » _n , поэтому   _p , для электронного _p » _p и   _p , т.е. для примесного полупроводника время жизни  определяется временем жизни неосновных носителей. Время жизни  может быть измерено экспериментально. Для монокристаллов германия и кремния  составляет 10 ­- 100 мкc. Однако в реальных полупроводниковых приборах из-за поверхностной рекомбинации и дефектов решетки , называемое эффективным временем жизни, составляет 0,1-2 мкс /2/.