Дрейфовый и диффузный токи в полупроводнике

Ток в полупроводнике появляется как следствие направленного перемещения носителей заряда. Различают два возможных случая появления тока в полупроводнике.

Ток, обусловленный внешним электрическим полем, получил название дрейфового тока.

Ток, возникающий в результате диффузии носителей из области, где их концентрация повышена, в направлении области с более низкой концентрацией, называется диффузным бездрейфовым током.

Механизм возникновения диффузного тока можно объяснить так. Пусть по каким-либо причинам концентрация электронов в различных точках полупроводника неодинакова. Очевидно, что вероятность столкновения электронов друг с другом больше там, где концентрация их выше. Поэтому электрон, совершая хаотическое тепловое движение, в соответствии с общими законами теплового движения будет стремиться перейти в область меньших столкновений. В результате носители заряда, совершающие тепловое движение, будут смещаться из области с большей концентрацией в область с меньшей концентрацией их, что приведет к возникновению диффузного тока.

2.6 Формирование контакта полупроводник - полупроводник. Электронно-дырочный переход

Все электрические контакты можно разделить на три основные группы: омические, нелинейные и инжектирующие. В зависимости от назначения контакта к нему предъявляются различные требова­ния. Так, омический контакт должен обладать очень малым пере­ходным сопротивлением, не искажать форму передаваемого сигнала, не создавать шумов, иметь линейную вольтамперную характеристику. Подобные контакты необ­ходимы для соединения элементов схемы друг с другом, с источника­ми питания и т. д.

Нелинейные контакты исполь­зуются для преобразования электрических сигналов (выпрямление, детектирование, генерирование и т. п.). Они имеют резко нелинейную вольтамперную характери­стику, форма которой определяется конкретным назначением со­ответствующего прибора. Инжектирующие контакты обладают спо­собностью направлять носители зарядов только в одну сторону. Этот тип контактов широко используется в полупроводниковых приборах, например, в биполярных транзисторах (гл. 6).

Наибольшее распространение в полупроводниковой технике и микроэлектронике получили контакты типа полупроводник — полупроводник, а физические явления, происходящие в зоне этих контактов, лежат в основе работы большинства полупроводниковых приборов.

Электрический переход между двумя областями полупроводника, одна из которых имеет электропроводность n-типа, а другая p-ти­па, называют электронно-дырочным, или p-n переходом (рис. 3.1).

Электронно-дырочный переход нельзя создать простым сопри­косновением пластин n- и p-типа, так как при этом неизбежен проме­жуточный слой воздуха, окислов или поверхностных загрязнений. Эти переходы получают вплавлением или диффузией соответству­ющих примесей в пластинки монокристалла полупроводника, а так­же путем выращивания p-n перехода из расплава полупроводника с регулируемым количеством примесей. В зависимости от способа изготовления p-n переходы бывают сплавными, диффузионными и др. Рассмотрим явления, возникающие при электрическом контакте между полупроводниками n- и p-типа с одинаковой концентрацией донорных и акцепторных примесей (рис. 3.2, а). Допустим, что на границе раздела (сечение х₀) тип примесей резко изменяется (рис. 3.2, б)¹.

Существование электронно-дырочного перехода обусловлено раз­личием в концентрации подвижных носителей заряда электронной и дырочной областей. В электронной части полупроводника кон­центрация электронов в соответствии с (2.15), а концентра­ция дырок в соответствии с (2.18).

2.7 Свойства p-n перехода при наличии внешнего напряжения

При нарушении равновесия электронно-дырочного перехода внешним электрическим полем через него начинает протекать ток. Характер токопрохождения и величина тока оказываются различными в зависимости от полярности приложенного напряжения.

Рассмотрим случай, когда внешнее напряжение противоположно по знаку контактной разности потенциалов (рис. 3.5, а). В этом случае источник включается так, что поле, создаваемое внешним напряжением в p–n переходе, направлено навстречу собственному полю p–n перехода. Такое включение называют прямым. Оно приводит к снижению высоты потенциального барьера. Основные носители заряда получают возможность приблизиться к контакту, скомпенсировав заряд примесей. Поэтому ширина p–n перехода уменьшится.

Из рис. 3.5, б видно, что для этого случая уровень Ферми в n-области поднимется, а в p-области опускается. Часть основных носителей, имеющих наибольшее значение энергии, сможет преодолеть сравнительно узкий и невысокий потенциальный барьер и перейти границу, разделяющую полупроводники n- и p-типа. Это приводит к нарушению равновесия между дрейфовым и диффузионными токами. Диффузионная составляющая тока становиться больше дрейфовой, и результирующий прямой ток через переход оказывается отличным от нуля.

По мере увеличения внешнего прямого напряжения прямой ток через переход может возрасти до весьма больших значений, так как он обусловлен главным образом движением основных носителей, концентрация которых в обеих областях велика.

Нетрудно заметить, что преодолевшие потенциальный барьер носители заряда попадают в область полупроводника, для которой они являются неосновными.

Процесс введения носителей заряда через электронно-дырочный переход при понижении высоты потенциального барьера в область полупроводника, где эти носители заряда являются неосновными, называется инжекцией (от английского слова inject – впрыскивать).

Инжектированные носители диффундируют вглубь соответствующей области полупроводника, рекомбинируя с основными носителями этой области. Так, по мере проникновения дырок из p-области в n-область они рекомбинируют с электронами, в результате чего диффузный дырочный ток Ipдиф n-области постепенно спадает до нуля. Однако это вовсе не означает, что ток в цепи не прекращается. Под действием внешнего электрического поля поступающие от источника в n-область электроны продвигаются к переходу, создавая электронный ток In. По мере приближения к переходу этот ток вследствие рекомбинации с дырками падает до нуля. Суммарный ток в n-области I = Ip + In во всех точках полупроводника n-типа остается неизменным. Одновременно с инжекцией дырок в n-область происходит инжекция электронов в p-область. Протекающие при этом процессы аналогичны.

Рассмотрим теперь свойства p–n перехода, к которому подключено обратное внешнее напряжение (рис. 3.7, а)

При этом электрическое поле, создаваемое источником, совпадает с полем p–n перехода. Потенциальный барьер между p- и n-областями возрастает. Он теперь становится равным φк + U. Количество основных носителей, способных преодолеть действие результирующего поля, уменьшается. Соответственно уменьшается и ток диффузии основных носителей заряда. Под действием электрического поля, создаваемого внешним источником, основные носители будут оттягиваться от приконтактных слоев вглубь полупроводника. В результате ширина p–n перехода увеличивается (рис. 3.7, б).

При обратном включении преобладающую роль играет дрейфовый ток, который имеет небольшую величину, так как он создается движением неосновных носителей. Этот ток получил название обратного тока:

I_обр=I_др-I_диф (3.3)

Величина обратного тока практически не зависит от внешнего обратного напряжения. Это можно объяснить тем, что в единицу времени количество генерируемых пар электрон – дырка при неизменной температуре остается неизменным.