14-04-2020-ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ-ПРИБОРЫ-И-УСТРОЙСТВА-ВЕЛИЧКО (1171919), страница 4

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 4)

При температуре Т1 внесколько десятков градусов практически все доноры будутионизированы. Если количество примеси заметно превышаетколичество носителей в собственном полупроводнике при этих жетемпературах, то концентрация подвижных электронов в зонепроводимости равна концентрации примеси: nn = Nd.Эта ситуация соответствует истощению примеси. Концентрацияподвижных электронов остается практически постоянной до температурв несколько сот градусов, когда становятся заметными межзонныеВ акцепторном полупроводнике качественно температурнаязависимость концентрации основных и неосновных носителей будеттакой же, как и в донорном.Время жизни неравновесных носителей зарядаВ полупроводнике под влиянием различных внешних факторовконцентрация свободных носителей заряда может превыситьравновесное значение (рис.

2.15):n = n0 + n,где n - неравновесная концентрация;n0 - равновесная концентрация;n - избыточная концентрация.2930постоянным, а количество носителей заряда, рекомбинировавших вединицу времени в единице объема, пропорционально первой степениизбыточной концентрации. Этот случай называют линейнойрекомбинацией.Решение этого обыкновенного дифференциального уравнения имеетследующий вид:tnt   n0  e  ,(2.6)т. е. при линейной рекомбинации избыточная концентрация носителейза время жизни уменьшается в e раз (рис. 2.16).Рис. 2. 15. Возникновение неравновесной концентрации зарядов подвлиянием энергетического воздействияПосле прекращения энергетического воздействия избыточнаяконцентрация носителей заряда в полупроводнике из-за процессарекомбинации через некоторое время уменьшится до нуля.

Количествоносителей заряда, рекомбинирующих в единицу времени в единицеобъема (скорость изменения концентрации), пропорциональноизбыточной концентрации и обратно пропорционально некоторомупараметру τ, который называют временем жизни.В состоянии термодинамического равновесия (n0 = const) данныйпроцесс будет описываться уравнением рекомбинации:dn ndt(если p = const),(2.5)где dn/dt - скорость изменения концентрации,τ - время жизни неравновесных носителей заряда.Знак минус указывает на то, что избыточная концентрация современем убывает.Рассмотрим наиболее простой частный случай - постоянствоконцентрации носителей заряда, с которыми происходит рекомбинациянеравновесных носителей. Этот случай реализуется, например, вполупроводнике с явно выраженной примесной электропроводностьюпри введении в него неосновных носителей заряда не вызываетсущественного изменения концентрации основных, с которымипроисходит рекомбинация.

Время жизни при этом оказываетсяРис. 2.16. Изменение избыточной концентрации во времениВремя жизни неравновесных носителей заряда в германии и кремнииможет составлять широкий диапазон значений в зависимости отколичества и типа примеси, а также от состояния и чистотыповерхности (табл. 2.4).3132Таблица 2.4Полупроводник[сек]Si10-9 - 10-2Основным процессом, определяющим значение τ, являетсярекомбинация.Виды рекомбинацииКлассификацию различных видов рекомбинации можноосуществлять:1) по способу выделения избыточной энергии (рис. 2.17);Рис.

2.17. Классификация видов рекомбинации по способу выделенияизбыточной энергии2) по месту прохождения объемная, поверхностная (роль ее тем выше, чем больше отношениеплощади поверхности полупроводника к его объему Sпов/V, т.е.чем меньше размеры образца).На поверхности полупроводника количество дефектов, образующихловушки, которые вызывают интенсивный процесс рекомбинации,гораздо больше чем в объеме.Механизмы генерации и рекомбинацииПроцесс рекомбинации электронов и дырок может происходитьлибо прямым путем - из зоны в зону, либо через локальныеэнергетические уровни в запрещенной зоне, называемые центрамирекомбинации или ловушками(рис. 2.18). Второй механизмрекомбинации является более вероятным, чем первый, так как здесьдвижется лишь один носитель заряда, а другой неподвижен, ивероятность сближения их на расстояние, при котором возможнарекомбинация (~0,1 нм), значительно выше, чем в случае, когда обаносителя заряда перемещаются по кристаллической решетке.Рис.

2.18. Различные механизмы генерации и рекомбинации носителейзаряда33Центрырекомбинациисоздаютсяпримесями,имеющимиэнергетические уровни вблизи середины запрещенной зоныполупроводника. К таким примесям относятся:34Реально существуютприлипания (рис. 2.19).и мелкие дефектныеуровни -уровни- Cu (медь), Au (золото) - одновалентные [создают пустыеловушки];- Co (кобальт), Ni (никель), Pt (платина) - восьмивалентные[создают ловушки, заполненные электронами].Стадии рекомбинации через ловушкиРекомбинация с участием рекомбинационных ловушек протекает вдва этапа. На первом этапе рекомбинационная ловушка (илиэнергетический уровень рекомбинационной ловушки) захватывает,например, электрон из зоны проводимости.

Таким образом, электронвыбывает из процесса электропроводности. В этом состоянии ловушкабудет находиться до тех пор, пока к ней не подойдет дырка, или,другими словами, пока в данном месте кристалла не окажетсясвободный энергетический уровень валентной зоны. При выполненииэтих условий осуществляется второй этап рекомбинации - электронпереходит на свободный уровень валентной зоны (что эквивалентнозахвату дырки из валентной зоны отрицательно заряженной ловушкой).Длительность первой стадии гораздо больше длительности второй(t1 >> t2), т. к. t1 определяется столкновением с ловушкой не основныхносителей, концентрация которых мала, а t2 определяетсястолкновением с ловушкой основных носителей, концентрация которыхвелика.

Следовательно, время жизни носителей заряда приближенноравно τ t1.Роль рекомбинационных ловушек могут выполнить примесные атомыили ионы, различные включения в кристалле, незаполненные узлыкристаллической решетки, трещины и другие несовершенства объемаили поверхности.В связи с тем, что на поверхности кристалла перечисленных дефектовзначительно больше, чем в объеме, процесс рекомбинации наповерхности должен идти значительно интенсивнее. Его рассматриваюти оценивают обычно отдельно, считая поверхностную рекомбинациюразновидностью рекомбинации с участием рекомбинационных ловушек.Рис.

2.19. Изображение процесса захвата носителей заряда уровнямиприлипанияЧерез некоторое время после захвата носителя происходит егоосвобождение. Уровни прилипания слабо, но влияют, на время жизниносителей заряда, так как захваченные носители не могут в это времярекомбинировать.3536Глава 3.Движение носителей зарядаПроцесс переноса зарядов может наблюдаться в полупроводниках приналичии электронов в зоне проводимости и при неполном заполненииэлектронами валентной зоны.

При выполнении этих условий и вотсутствие градиента температуры перенос носителей зарядов можетпроисходить либо под действием электрического поля, либо поддействием градиента концентрации носителей заряда.В общем случае движение носителей заряда в полупроводникахобусловлено двумя физическими процессами: диффузией и дрейфом.Диффузией называется направленное перемещение носителей зарядоввследствие неравномерности их концентрации, т. е.

перемещение поддействием градиента концентрации носителей заряда. Дрейфомназывается направленное перемещение носителей заряда под действиемэлектрического поля (рис. 3.1).Рис. 3.2. Диффузия носителей заряда под действием градиентаконцентрацииВектор градиента концентрации направлен в сторону возрастанияаргумента, а частицы диффундируют туда, где их меньше, т. е. противградиента концентрации. Поэтому знаки перед правой и левой частямисоотношения различны.Остановимся на процессе диффузии электронов и дырок вполупроводниках,т. е. на диффузии заряженных частиц (иликвазичастиц). Так как всякое направленное движение одноименнозаряженных частиц есть электрический ток, то плотность электроннойсоставляющей диффузионного тока может быть получена путемумножения правой части на элементарный заряд электрона.

Электроныдиффундируют против вектора градиента концентрации и имеютотрицательный заряд. Поэтому направление вектора плотностидиффузионного тока электронов должно совпадать с направлениемвектора градиента концентрации электронов, т. е.Рис.3.1. Виды движения носителей зарядаДиффузияИз физики известно, что плотность потока частиц при диффузии(число частиц, пересекающих в единицу времени единичную площадку,перпендикулярнуюнаправлениюградиентаконцентрации)пропорционален градиенту концентрации этих частиц:Ф   D  grad n ,(3.1)где D - коэффициент диффузии, равный абсолютному значениюотношения плотности потока частиц к градиенту их концентрации(рис.

3.2).j диф  q  Ф ,(3.2)где- плотность диффузионного потока,q - заряд электрона.Одновременно с процессом диффузии неравновесных носителейпроисходит процесс их рекомбинации. Поэтому избыточнаяконцентрация уменьшается в направлении от места источника этойизбыточной концентрации носителей.3738В результате дрейфа электронов в полупроводнике появляетсяэлектронная составляющая плотности дрейфового тока, которуюзапишем на основании закона Ома:Установим размерность коэффициента диффузии:1 2Ф   с  м 2   D   м .сgrad n  м  4 Исходя из соображений размерности, можно установить2функциональную зависимость для коэффициента диффузии D = L / ,где L - диффузионная длина.Расстояние, на котором при одномерной диффузии в полупроводникебез электрического поля в нем избыточная концентрация носителейзаряда уменьшается вследствие рекомбинации в e = 2,718 ...

Характеристики

Список файлов учебной работы