promel (Электроника учебник), страница 5

Однако относительное приращение концентраций дырок существенно больше относительного приращения концентраций электронов р,!р„» п„(П, поскольку и„» р„. Иными словами, можно считать, что внешнее воздействие привело к образованию в слое полупроводника н-типа неравновесной концентрации неосновных носителей заряда (дырок) при оставшейся почти неизменной концентрации основных носителей заряда (электронов). Процесс уменьшения концентрации носителей заряда в слое до значения равновесных после прекращения внешнего воздействия следует рассматривать как рекомбинацию дырок с электронами в условиях высокой концентрации электронов.

Спад начальной концентрации дырок Лр(0) во времени подчиняется экспоненпиальному закону Лр(() = Лр(0!е (1.3) характеристическая постоянная, называемая в р е м е н е м где тр— жив з н и д ы р о к в электронном полупроводнике (параметр т соотв ответствует времени, в течение которого избыточная концентрация нерав еравновесных дырок уменьшается в е раз). Соотношение, аналогичное (1.3), можно записать и для дырочного „олупроводника. Процесс уменьшения концентрации нссителей заида здесь следует рассматривать как рекомби нацию неравновесных элек лектронов с дырками в условиях высокой концентрации дырок.

Хаактеристическую псстоянную т„в этом случае называют в р е м е- н ем ж и з и и э л е кт р о но в в дырочном полупроводнике. Параметры тр, т„входят в число основных для примесных полу- проводников. Их уменьшение, в частности, сказывается на повышении быстродействия полупроводниковых приборов. Обычные значения тр, г„ находятся в пределах 10 ' — 10 ' с, но в ряде случаев могут быть больше или меньше, рскомбинация носителей заряда, когда свободный электрон непосредственно переходит из зоны проводимости в валентную зону, т, е, заполняет дырку в ковалентной связи атомов (прямая рекомби- нация), мало вероятна. Причиной этого является редкость события, 'при котором электрон и дырка находились бы одновременно в одном и том же месте кристалла и имели бы небольшую скорость. Основную роль в рекомбинации носителей заряда играют так называемые цент- ры рекомбинации — л о в у ш к и, имеющие в запрещенной зоне энергетические уровни, способные захватить электроны.

Процесс рекомбинации с участием ловушки протекает в две стадии: свободный электрон вначале переходит на уровень ловушки, а затем в валентную зону. Центрами рекомбииаций могут быть примесные атомы, дефекты кРисталлической решетки, расположенные в объеме или на поверх- ности кристалла. Для повышения интенсивности рекомбинационных процессов (уменьшения т„, т„) в примесный полупроводник вводят в небольшом количестве золото или никель, созда|ощие эффективные центры рекомбинаций носителей заряда. Время жизни носителей прн этом снижается до 10 ' — 10 ' с. дрейфоаое и диффузионное движения носителей заряда В отсУтствие электрического поля в кристалле н одинаковой концентрации носителей заряда в объеме полупроводника электроны и дь'Рки находятся в непрерывном тепловом (хаотическом) движении, те а Распределенном по всем направлениям.

Ввиду хаотического харакРа движения носителей заряда ток в кристалле равен нулю. Раций лектрическое поле и неравномерность распределения концентдочен носителей заряда являются факторами, создающими упоряРическ " иное движение носителей заряда, т. е. обусловливающими электскнй ток в кристалле полупроводника. Направленное движение талей заряда под воздействием электрического поля называют д р е й ф о м ( д р е й ф о в о е д в и ж е н и е ), а под воздействием разности концентраций носителей заряда — д и ф ф у з и е й (д и фф у з и о н н о е д в и ж е н и е), В зависимости от характера движения носителей заряда различают соответственно д р е й ф о в ы й и д и ф ф у з и о н н ы й токи в полупроводниках, а в зависимости от типа носителей заряда — электронные и д ы р о ч н ы е ' составляющие этих токов.

Перемещение носителей заряда в кристалле под воздействием электрического поля происходит при непрерывном их столкновении с узлами кристаллической решетки и атомами примеси. Носители заряда перемещаются в кристалле с некоторой средней скоростью, пропорциональной напряженности электрического поля: пср с =- — (нсЕ (1 .4) ' "ср р = РнЕ. (1.4а) Коэффициент пропорциональности называют п о д в я ж н остью электронов (и„)идырок (рр).Электроны перемещаются в направлении, противоположном действию поля, а дырки— в направлении действия поля.

Этим объясняется наличие знака минус в формуле (1,4). Движение дырок, обусловливаемое замещением валентными электронами дефектов ковалентных связей атомов в решетке, является более затруднительным, чем свободных электронов. Поэтому при одинаковой напряженности электрического поля средняя скорость электронов выше, чем дырок, и р„) рр. Так, для германия и„= 3800 ему(В ° с), рр — — 1800 смс/(В ° с), а для кремния р„= 1300 смЧ(В с), р„= 500 ему(В ° с). Плотности дрейфовых составляющих тока в кристалле определяются величиной заряда, переносимого носителями через единичное сечение в единицу времени: с яр с = сР~пср ю (1 .5) ддр р = ЧРоср р' (1.5а) где и, р — концентрации электронов и дырок в объеме полупроводника; с1 — заряд электрона. Знак минус в выражении (!.5) означает, что принятому направлению тока соответствует противоположное направление движения электронов. С учетом (! А) соотношения для плотностей дрейфового электронного и дырочного токов приобретают вид / р„— — с)прдЕ, (1.6) /др р — — с!рирЕ.

(1.6а) Суммарная плотность тока, протекающего через полупроводник под действием электрического поля, ,( = /др —— ,(др „+,(др р — — г!Пр„Е+ г)рр.рЕ. (1.7 1З дп 1 ча уа„,„=( — ц)(~„( — — ~~ =д(~„—, дх ) дх (1. 8) (1,8а) Коэ(зфипнент пропорциональности называют к о э ф ф и ц и е ндиффузни электронов (Р„) н дырок (Вл). Ко'ффипиент диффузии равен числу носителей заряда, диффунднрующнх за 1 с через площадку в 1 см' при единичном градиенте концентРации, подан и имеет размерность см'(с. Коэффи иент диффузии связан с д нжностью носителей заряда соотношением Эйнштейна Е)=~( й, (1 .9) 19 В чистых полУпРоводниках и = Р, но Р„пРимеРно вдвое выше По этой причине в чистых полупроводниках электронная составляю 'ляющая плотности тока в то же число раз больше дырочной.

В п нмесных же полУпРоводниках конпентРации п и Р Различаютсн на н несколько порядков, в связи с чем в электронном полупроводнике дрейф нфовый ток обусловливается преимущественно электронами, а в дырочном — дырками. Из формулы (1.7) следуег, что плоткссть ток лупроводников зависит от конпентрапии нос ви;кности.

Подвижность носителей заряда уменьшается с ростом емпературы. Это сбъяснается повышением интенсивности тепловых олебаний атомов в кристаллической решетке и увеличением вероятности столкновений с ними электронов и дырок. В чистых полупроводниках, несмотря иа снижение подвижности носителей, плотность тока н проводимость увеличиваются с ростом температуры вследствие повышения конпентрапии носителей заряда. В примесных полупроводниках в рабочем диапазоне температур конпентрапия носителей заряда мало изменяется, так как ее определяет главным образом концентрация основных носителей заряда, созданная примесью (все атомы примеси ионизированы).

В связи с этим плотнссть тока и проводимость здесь с ростом температуры несколько уменьшаются вследствие уменьшения подвижности (и ==- Т мз) . Ввиду меньшей подвижности носителей заряда удельное сопротивление кремния больше, чем германия. Диффузионное движение носителей заряда возникает, когда имеется различие в концентрации электронов (дырок) в соседних слоях полупроводника.

Носители заряда перемещаются из слоя с большей концентрацией в слой с м е н ь ш е й к о н и е н т р а ц и е й. Если в данном слое постоянно поддерживается более высокая конпентрапия носителей заряда, чем в соседнем с ним слое, то создается непрерывный диффузионный поток носителей заряда в направлении убывания концентрации. Плотности потоков носителей заряда пропорциональны градиенту нх концентрации; прн одномерной диффузии (когда коипентрация ~доль оси х падает: г(пЯх( О или брlг(х( 0) их находят из соотно- шений где %г = ЬТ)ц — тепловой потенциал, выражаеьый, так же как и электрический потенциал, в вольтах; Т вЂ” - абсолютная теъгпература (при Т == 300 К грт == 0,025 В).

В кремнии при комнатной температуре 0„= 32 смн(с, )ур = 12 сага!с. Зависимость чг и р от температуры обусловливает и температурную зависимость коэффипиента диффузии (О .==. Т вЂ” "'). Носители заряда, выходящие из слоя с повышенной концентрацией и входящие в слой с меньшей концентрацией, по мере продвижения рекомбиннруют с носителями заряда противоположного знака (носители заряда обладают конечным врегаенем жизни), Их концентрация уменьшается по экспоненциальному закону, стремясь к равновесной. Расстояние, на котором избьпочная концентрация носителей заряла уменьшается в е раз, называют л гл ф ф у з и о и н о й д л и н о й (. (соответственно !., — для электронов и ь„— для дырок). Иными словами, это среднее расстояние, на которое носитель заряда может переместиться за время своей жизни.

Диффузионная длина связана с коэффициентом диффузии и временем жизни носителей заряда соотношениями й„= р""б„тп, й !.2. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ Принцип действия и вольт-алгперная характеристика диода Д и о д а м и называют двухэлектродные элементы электрической цепи, обладагощие односторонней проводимостью тска. В полу- л К г! К а д„ д) б) рис. !.7. Г!олуироводииковий диод: а — пплупревпднакевав р-л-структура днеда; б — условное грагьнаескее пбеанакенве дведа, в — упрев(аннан !наваль. ааг в . ьт- вп г пав «рактернстнка дведв провсдниковых диодах односторонняя проводимость обусловливается применением полупроводниковой структурьг, сочетающей в себе два слоя, олин из которых обладает дырочной (р), а другой— электронной (и) электропроводнсстью (рис.

!.7, а). Обозначение диода на электронных схемах и его упрощенная (идеальная) вольтамперная характеристика показаны на рис. !.7, б, в. Принцип декствия полупроводникового диода основывается на специфике процессов, протекающих на границе раздела р- и п-слоев, в так называемом э л е к т р о н н о - д ы р о ч н о м и е р с х оде (р.п-переходе).

20 Электрические процессы в р-п-переходе в отсутствие внешнего напряжения В германн аниевых и кремниевых диодах двухслойная р-п-структура 1 8, а) создается введением в один из слоев монокристалла акпримеси, а в другой — донорной примеси. При комнатной епторной пр ре атомы акцепторов и доноров можно считать полностью емпературе ованными, т. е. практически все акггепторыые атомы присоионизирован диняют к с т к себе электроны, создавая при этом дырки, а донорные атодают свои электроны, которые становятся свободнымк. Кроме мы отдают сповнь.