Меню

Причина возникновения диффузионного тока



Диффузионный ток

Диффузионный ток вызывается неравномерным распределением носителей заряда в полупроводнике. Диффузионный ток возникает под воздействием таких факторов, как свет, радиация, градиент температуры. Наиболее распространенные электронные приборы, которые работают с использованием диффузионного тока, это биполярные транзисторы, фотодиоды и датчики температуры.

В отличие от влияния окружающей температуры, которое вызывает равновесную генерацию зарядов, и эти заряды равномерно распределяются по объему, генерация в полупроводнике электронов, или дырок происходит при освещении его поверхности светом, облучением потоком заряжённых частиц, введением носителей заряда через контакт (инжекцией) в диодах или биполярных транзисторах. В этом случае внешняя энергия передается непосредственно носителям заряда, а тепловая энергия кристаллической решетки не изменяется. В результате избыточные носители заряда не находятся в тепловом равновесии с кристаллической решеткой и поэтому называются неравновесными. В отличие от равновесных носителей заряда они обычно неравномерно распределяются по объему полупроводника, как это показано на рисунке 1.

Диффузионный ток в полупроводнике
Рисунок 1 Диффузионный ток в полупроводнике

Концентрация электронов в месте поступления внешней энергии поднимается до значения np. Соответственно концентрация дырок будет pn. Неравномерное распределение неравновесных носителей зарядов сопровождается их диффузией в сторону меньшей концентрации. Это движение носителей зарядов приводит к появлению электрического диффузионного тока. Это явление широко используется в солнечных батареях. Направление диффузионного тока при освещении поверхности полупроводника показано на рисунке 1.

После прекращения действия возбудителя, за счет рекомбинации электронов и дырок концентрация избыточных носителей быстро уменьшается и возвращается к равновесному значению при данной температуре. Скорость рекомбинации неравновесных носителей пропорциональна избыточной концентрации дырок () или электронов ():

Знак «минус» в выражении (2) означает противоположную направленность диффузионного тока при движении электронов и дырок в сторону уменьшения их концентраций в полупроводнике. За время жизни концентрация неравновесных носителей уменьшается в 2,7 раза (в exp(1) раз). Их время жизни обычно находится в пределах . Носители зарядов рекомбинируют в объеме полупроводника и на его поверхности.

Теперь определим плотность диффузионного тока в полупроводнике. Рассмотрим одномерный случай. Пусть концентрации электронов n(x) и дырок p(x) в полупроводнике зависят от координаты x. Это приведет к диффузионному движению дырок и электронов из области с большей их концентрацией в область с меньшей концентрацией, что, в свою очередь, вызывает суммарный диффузионный ток электронов и дырок, плотности которых описываются выражениями:

В полупроводнике с собственной проводимостью возникает одновременно диффузионный ток электронов и дырок. Диффузионный ток в полупроводнике вдоль оси x, вызванный градиентом распределения электронов и дырок одновременно, показан на рисунке 2.

Сумма диффузионных токов в полупроводнике с собственной проводимостью
Рисунок 2. Диффузионный ток в полупроводнике, вызванный градиентом распределения электронов и дырок одновременно

За счет более высокой подвижности, электроны распространяются дальше, поэтому их концентрация на поверхности полупроводника уменьшается. В результате суммарный диффузионный ток в различных зонах полупроводника течет в противоположных направлениях.

Градиент концентрации характеризует степень неравномерности распределения зарядов (электронов и дырок) в полупроводнике вдоль одного из выбранных направлений (в данном случае вдоль оси x). Коэффициенты диффузии показывают количество электронов и дырок, пересекающих в единицу времени единичную площадку, перпендикулярную к выбранному направлению. При градиенте концентрации в этом направлении, равном единице, коэффициенты диффузии связаны с подвижностями носителей зарядов соотношениями Эйнштейна:

Если в полупроводнике одновременно присутствуют и электрическое поле, и градиент концентрации носителей, то проходящий ток будет иметь дрейфовую и диффузионную составляющие. Такая ситуация возникает в диодах и биполярных транзисторах. В этом случае плотности токов электронов и дырок рассчитываются по следующим уравнениям:

Пример возникновения суммы диффузионного и дрейфового тока в полупроводниковом диоде показан на рисунке 3. На этом же рисунке показан график изменения концентрации инжектированных электронов в диода.

Диффузионный ток и дрейфовый ток в полупроводниковом диоде
Рисунок 3. Диффузионный ток в полупроводниковом диоде, вызванный инжектированными электронами

Итог:

  • диффузионный ток — это ток, который протекает в полупроводнике под воздействием температуры, света, радиации или инжекции.
  • диффузионный ток является основным током, определяющим работу полупроводниковых диодов и транзисторов

Дата последнего обновления файла 24.12.2019

  1. В. Н. Дулин Электронные и ионные приборы — М. — Л.: Государственное энергетическое издательство, 1963. -544 с.
  2. Электронные, квантовые приборы и микроэлектроника. Под редакцией Федорова Н. Д. — М.: Радио и связь, 1998. -560 с.
  3. Электронные приборы. Под редакцией Шишкина Г.Г. -М.: Энергоатомиздат, 1989.-496 с.
  4. Батушев В. А. Электронные приборы. -М.: Высшая школа, 1980. -383 с.
  5. Савиных В. Л. Физические основы электроники. Учебное пособие. — Новосибирск.: СибГУТИ, 2003. — 77 с.
  6. Глазачев А. В. Петрович В. П. Физические основы электроники. Конспект лекций — Томск: Томский политехнический университет, 2015.

Вместе со статьей «Диффузионный ток» читают:

Источник

Диффузионный и дрейфовый токи.

Диффузия (от лат. diffusio — распространение, растекание, рассеивание) — неравновесный процесс, вызываемый тепловым движением частиц, приводящий к установлению равновесия и выравниванию концентраций (при постоянстве температуры и отсутствии внешних сил). Если частицы заряжены, то их диффузионное перемещение приводит к появлению диффузионных токов.

Диффузионный поток направлен из области высокой концентрации в область низкой концентрации. Свободные носители заряжены. Следовательно любое их перемещение, в том числе и диффузионное, приводит к появлению электрических токов, которые так и будем называть диффузионными.

Рис. 1.25. Схема, иллюстрирующая возникновение диффузионных токов электронов и дырок.

Схема на рис. 1.25 иллюстрирует возникновение диффузионных токов электронов и дырок. Следует обратить внимание, что потоки электронов и дырок на схеме направлены в одну сторону, а токи дырочный и электронный токи в разные. Направление дырочного тока совпадает с направлением потока, электронного противоположно, поэтому токи компенсируют друг друга уменьшая общий диффузионный ток.

Скорость диффузии (диффузионный поток) пропорционален градиенту концентрации, поэтому для диффузионных токов можно записать:

(1.61)

где Dnи Dpсоответственно коэффициенты диффузии электронов и дырок. Коэффициенты диффузии носителей заряда связаны с их подвижностью соотношением Эйнштейна:

(1.62)

Коэффициент диффузии тем выше, чем выше подвижность носителей заряда.

Токи, возникающие во внешних полях принято называть дрейфовыми, поскольку внешнее поле не прекращая хаотического теплового движения носителей заряда заставляет их смещаться (дрейфовать) в направлении, которое зависит от знака носителя и направления внешнего поля. К дрейфовым токам можно отнести и рассмотренные ранее токи проводимости токи (их иногда называют омическими), используя (1.56) для них можно записать:

( 1.57)

Таким образом процессы, определяющие перенос зарядов в полупроводниках будут определяться четырьмя токами: дрейфовыми токами электронов и дырок, возникающими при наличии электрического поля и диффузионными токами электронов и дырок, возникающими в том случае, когда существует градиент концентрации носителей заряда.

Все четыре тока связаны между собой уравнением непрерывности (4), которой явилось следствием закона сохранения заряда.

1.2.8. Уравнение непрерывности.

Для полупроводника, в объеме которого происходит генерация и рекомбинация носителей заряда, используя (4) запишем:

(1.58)

где G и U соответственно члены характеризующие скорость генерации и скорость рекомбинации носителей заряда. Используя (21) и (24) и разделив левую и правую части уравнения на величину заряда электронов получим:

(1.59)

Для одномерного случая разделяя члены, относящиеся к электронам и дыркам , учитывая, что полный ток равен:

(1.60)

(1.61)

Связь между распределением заряда и электрического поля в образце устанавливается с помощью уравнения Пуассона:

(1.63)

Для полупроводника близкого к собственному основными зарядами являются электроны и дырки, поэтому:

(1.64)

Подставляя ∂E/∂x в (31) получим:

(1.65)

Считая, что в образце выполняется условие электронейтральности: Δp≈Δn и τp≈ τn. суммируя уравнения для электронов и дырок получим:

(1.66)

где D и μ коэффициенты , характеризующие совместную диффузию и дрейф электронов и дырок, поэтому их и называют коэффициентами амбиполярной диффузии и амбиполярной подвижности:

(1.67)

Уравнение (1.67) описывает основные изменения происходящие с носителями заряда и соответственно токами в полупроводниковых материалах и соответственно приборах на их основе. Это уравнение в правой части содержит три члена: генерационно-рекомбинационный, диффузионный и дрейфовый. Это уравнение широко используется при анализе процессов в полупроводниковых приборах, поскольку позволяет значительно упростить расчеты, по существу заменив операции с четырьмя потоками носителей операциями с одним.

Предположим, что у нас имеется полупроводниковый образец в центре которого инжектируется избыточная концентрация электронов и дырок (Δn ≈ Δp) , такое распределение можно создать коротким лазерным импульсом с энергией квантов большей ширины запрещенной зоны. Как со временем будет изменяться этот импульс, если к образцу приложить внешнее электрическое напряжение (рис. 1.26), которое создаст в нем электрическое.

Ответ на поставленный вопрос поможет дать уравнения (1.66), (1.67) при этом не обязательно решать само уравнение, достаточно воспользоваться введенными характеристическими коэффициентами, характеризующими совместно движение электронов и дырок (36). Действительно направление движения совпадает с электрическим полем, если подвижность — положительная величина и направлено в другую сторону, если подвижность — отрицательная величина.

Допустим, что рассматриваемый полупроводник n типа, тогда n>>p и из (1.67) получим, что μ ≈μp. Следовательно перемещение импульса носителей заряда в электрическом поле будет определяться перемещением дырокvдр= μpE.

Допустим, что рассматриваемый полупроводник p типа, тогда p>> n и из (1.67) получим, что μ ≈μn. Следовательно перемещение импульса носителей заряда в электрическом поле будет определяться перемещением электронов vдр= — μnE.

В случае собственного полупроводника (n = p = ni) μ = 0 и соответственноvдр= μE.

Рассмотренные варианты проиллюстрированы на нижней диаграмме рис. 1.26.

Рис. 1.26. Дрейф инжектированного светом электронно-дырочного импульса в электрическом поле.

В процессе дрейфа импульс будет расплываться за счет диффузии и общее число избыточных носителей заряда в нем будет уменьшаться в результате рекомбинации.

Приведенный пример демонстрирует эффективность уравнения (35) при анализе процессов в различных областях полупроводниковых приборов. Так биполярные полупроводниковые приборы (диоды, транзисторы, тиристоры и др) состоят из чередующихся областей p и n типа. Поэтому для анализа процессов в различных областях используются уравнения для неосновных носителей заряда.

Для p области p>>n и соответственно будут иметь место следующие уравнения. (1.68)

Каждое из приведенных уравнений является частным случаем более общего уравнения (1.66) и используется для анализа процессов в полупроводниковых материалах и приборах именно для частных случаев, что значительно упрощает поиск возможного решения. Решение уравнения (1.66) достаточно в общем виде весьма сложно и, если это требуется по условиям задачи, то обычно выполняется численными методами с использованием соответствующих компьютерных программ.

Аналогично для n типа n>>p Для p соответственно будут иметь место

(1.69)

Источник

1.4. Дрейфовый и диффузионный токи в полупроводниках

Электрический ток может возникнуть в полупроводнике только при направленном движении носителей заряда, которое создается либо под воздействием электрического поля (дрейф), либо вследствие неравномерного распределения носителей заряда по объему кристалла (диффузия).

Если электрическое поле отсутствует, и носители заряда имеют в кристалле равномерную концентрацию, то электроны и дырки совершают непрерывное хаотическое тепловое движение. В результате столкновения носителей заряда друг с другом и с атомами кристаллической решетки скорость и направление их движения все время изменяются, так что тока в кристалле не будет.

Под действием приложенного к кристаллу напряжения в нем возникает электрическое поле. Движение носителей заряда упорядочивается: электроны перемещаются по направлению к положительному электроду, дырки – к отрицательному. При этом не прекращается и тепловое движение носителей заряда, вследствие которого происходят столкновения их с атомами полупроводника и примеси.

Направленное движение носителей заряда под действием сил электрического поля называют дрейфом, а вызванный этим движением ток – дрейфовым током. При этом характер тока может быть электронным, если он вызван движением электронов, или дырочным, если он создается направленным перемещением дырок.

Средняя скорость носителей заряда в электрическом поле прямо пропорциональна напряженности электрического поля:

Коэффициент пропорциональности m называют подвижностью электронов (mn), или дырок (mp). Свободные электроны движутся в пространстве между узлами кристаллической решетки, а дырки – по ковалентным связям, поэтому средняя скорость, а следовательно, и подвижность электронов больше, чем дырок. У кремния подвижность носителей заряда меньше, чем у германия.

В собственных полупроводниках концентрации электронов и дырок одинаковы, но вследствие их разной подвижности электронная составляющая тока больше дырочной. В примесных полупроводниках концентрации электронов и дырок существенно отличаются, характер тока определяется основными носителями заряда: в полупроводниках р-типа – дырками, а в полупроводниках n-типа – электронами.

Направленное движение носителей заряда из слоя с более высокой их концентрацией в слой, где концентрация ниже, называют диффузией, а ток, вызванный этим явлением, – диффузионным током. Этот ток, как и дрейфовый, может быть электронным или дырочным.

Степень неравномерности распределения носителей заряда характеризуется градиентом концентрации; его определяют как отношение изменения концентрации к изменению расстояния, на котором оно происходит. Чем больше градиент концентрации, т.е. чем резче она изменяется, тем больше диффузионный ток.

Электроны, перемещаясь из слоя с высокой концентрацией в слой с более низкой концентрацией, по мере продвижения рекомбинируют с дырками, и наоборот, диффундирующие в слой с пониженной концентрацией дырки рекомбинируют с электронами. При этом избыточная концентрация носителей заряда уменьшается.

Источник

Дрейфовый и диффузный токи в полупроводнике

date image2015-05-26
views image11036

facebook icon vkontakte icon twitter icon odnoklasniki icon

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 х) 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:

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.

Источник

Читайте также:  Подключение симистора в цепи переменного тока