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.
ДИФФУЗИОННЫЙ ТОК
Полезное
Смотреть что такое «ДИФФУЗИОННЫЙ ТОК» в других словарях:
диффузионный ток — Направленное движение зарядов в полупроводнике, возникающее вследствие градиента концентрации носителей заряда. [ГОСТ 22622 77] Тематики материалы полупроводниковые … Справочник технического переводчика
диффузионный ток — difuzijos srovė statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Elektros srovė, atsirandanti dėl medžiagos difuzijos elektrolite. atitikmenys: angl. diffusion current vok. Diffusionsstrom, m rus. диффузионный ток, m; ток диффузии, m… … Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas
диффузионный ток — difuzijos srovė statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Elektros srovė, atsirandanti dėl skirtingo krūvininkų tankio puslaidininkyje. atitikmenys: angl. diffusion current vok. Diffusionsstrom, m rus. диффузионный ток, m; ток… … Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas
диффузионный ток — difuzijos srovė statusas T sritis chemija apibrėžtis Elektros srovė, atsirandanti dėl medžiagos difuzijos elektrolite. atitikmenys: angl. diffusion current rus. диффузионный ток; ток диффузии … Chemijos terminų aiškinamasis žodynas
диффузионный ток — difuzijos srovė statusas T sritis chemija apibrėžtis Elektros srovė, atsirandanti dėl skirtingo krūvininkų tankio puslaidininkyje. atitikmenys: angl. diffusion current rus. диффузионный ток; ток диффузии … Chemijos terminų aiškinamasis žodynas
Диффузионный ток — 56. Диффузионный ток Направленное движение зарядов в полупроводнике, возникающее вследствие градиента концентрации носителей заряда Источник: ГОСТ 22622 77: Материалы полупроводниковые. Термины и определения основных электрофизических параметров … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
ток диффузии — difuzijos srovė statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Elektros srovė, atsirandanti dėl medžiagos difuzijos elektrolite. atitikmenys: angl. diffusion current vok. Diffusionsstrom, m rus. диффузионный ток, m; ток диффузии, m… … Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas
ток диффузии — difuzijos srovė statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Elektros srovė, atsirandanti dėl skirtingo krūvininkų tankio puslaidininkyje. atitikmenys: angl. diffusion current vok. Diffusionsstrom, m rus. диффузионный ток, m; ток… … Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas
ток диффузии — difuzijos srovė statusas T sritis chemija apibrėžtis Elektros srovė, atsirandanti dėl medžiagos difuzijos elektrolite. atitikmenys: angl. diffusion current rus. диффузионный ток; ток диффузии … Chemijos terminų aiškinamasis žodynas
ток диффузии — difuzijos srovė statusas T sritis chemija apibrėžtis Elektros srovė, atsirandanti dėl skirtingo krūvininkų tankio puslaidininkyje. atitikmenys: angl. diffusion current rus. диффузионный ток; ток диффузии … Chemijos terminų aiškinamasis žodynas
Диффузионный ток
СОДЕРЖАНИЕ
Обзор [ править ]
Диффузионный ток в зависимости от тока сноса [ править ]
В следующей таблице сравниваются два типа тока:
Действия перевозчика [ править ]
Для протекания диффузионного тока не требуется внешнего электрического поля через полупроводник. Это связано с тем, что диффузия происходит из-за изменения концентрации частиц носителя, а не самих концентраций. Частицы-носители, а именно дырки и электроны полупроводника, перемещаются из места с более высокой концентрацией в место с более низкой концентрацией. Следовательно, из-за потока дырок и электронов возникает ток. Этот ток называется диффузионным. Дрейфовый ток и диффузионный ток составляют полный ток в проводнике. Изменение концентрации частиц носителя имеет градиент. Из-за этого градиента в полупроводнике создается электрическое поле.
Вывод [ править ]
В области, где n и p изменяются с расстоянием, диффузионный ток накладывается на ток из-за проводимости. Этот диффузионный ток регулируется законом Фика :
Коэффициент диффузии для носителя заряда связан с его подвижностью соотношением Эйнштейна :
Теперь давайте сосредоточимся на диффузном токе в одном измерении по оси x:
Плотность электронного тока J e связана с потоком F следующим образом:
Аналогично для отверстий:
Обратите внимание, что для электронов диффузионный ток имеет то же направление, что и градиент электронной плотности, потому что знак минус от отрицательного заряда и закон Фика компенсируют друг друга. Однако дырки имеют положительный заряд, поэтому знак минус из закона Фика переносится.
Наложите диффузный ток на дрейфовый, чтобы получить
Рассмотрим электроны в постоянном электрическом поле E. Электроны будут течь (т.е. будет дрейфовый ток) до тех пор, пока градиент плотности не станет достаточным, чтобы диффузионный ток точно уравновесил дрейфовый ток. Итак, в состоянии равновесия нет нетто-текущего потока:
Пример [ править ]
Чтобы получить диффузионный ток в полупроводниковом диоде, обедненный слой должен быть большим по сравнению с длиной свободного пробега. Начнем с уравнения для чистой плотности тока J в полупроводниковом диоде:
Интегрирование уравнения ( 2 ) по обедненной области дает
J = q D n e − Φ / V t | 0 x d ∫ 0 x d e − Φ / V t d x <\displaystyle J=<\frac 
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.
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 ():
(1)
(2)
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:
(3)
(4)
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.
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:
(5)
(6)
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:
(7)
(8)
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.
Рисунок 3. Диффузионный ток в полупроводниковом диоде, вызванный инжектированными электронами
Дата последнего обновления файла 24.12.2019
Понравился материал? Поделись с друзьями!
Вместе со статьей «Диффузионный ток» читают:
СОДЕРЖАНИЕ
Обзор
Диффузионный ток в зависимости от тока дрейфа
В следующей таблице сравниваются два типа тока:
Действия перевозчика
Для протекания диффузионного тока не требуется внешнего электрического поля через полупроводник. Это связано с тем, что диффузия происходит из-за изменения концентрации частиц носителя, а не самих концентраций. Частицы-носители, а именно дырки и электроны полупроводника, перемещаются из места с более высокой концентрацией в место с более низкой концентрацией. Следовательно, из-за потока дырок и электронов возникает ток. Этот ток называется диффузионным. Дрейфовый ток и диффузионный ток составляют полный ток в проводнике. Изменение концентрации частиц носителя имеет градиент. Из-за этого градиента в полупроводнике создается электрическое поле.
Вывод
В области, где n и p изменяются с расстоянием, диффузионный ток накладывается на ток из-за проводимости. Этот диффузионный ток регулируется законом Фика :
Коэффициент диффузии для носителя заряда связан с его подвижностью соотношением Эйнштейна :
Теперь давайте сосредоточимся на диффузном токе в одном измерении по оси x:
Плотность электронного тока J e связана с потоком F следующим образом:
Аналогично для отверстий:
Обратите внимание, что для электронов диффузионный ток имеет то же направление, что и градиент электронной плотности, потому что знак минус от отрицательного заряда и закон Фика компенсируют друг друга. Однако дыры имеют положительный заряд, поэтому знак минус из закона Фика переносится.
Наложите диффузный ток на дрейфовый, чтобы получить
Рассмотрим электроны в постоянном электрическом поле E. Электроны будут течь (т.е. будет дрейфовый ток) до тех пор, пока градиент плотности не станет достаточным, чтобы диффузионный ток точно уравновесил дрейфовый ток. Итак, в состоянии равновесия нет нетто-текущего потока:
Пример
Чтобы получить диффузионный ток в полупроводниковом диоде, обедненный слой должен быть большим по сравнению с длиной свободного пробега. Начнем с уравнения для чистой плотности тока J в полупроводниковом диоде:
Интегрирование уравнения ( 2 ) по обедненной области дает
который можно записать как
Знаменатель в уравнении ( 3 ) может быть решен с помощью следующего уравнения:
Следовательно, Φ * можно записать как:
Подстановка уравнения ( 6 ) в уравнение ( 5 ) дает:
Из уравнения ( 7 ) можно заметить, что когда на полупроводниковый диод подается нулевое напряжение, дрейфовый ток полностью уравновешивает диффузионный ток. Следовательно, чистый ток в полупроводниковом диоде при нулевом потенциале всегда равен нулю.
Вышеприведенное уравнение можно применить к моделированию полупроводниковых устройств. Когда плотность электронов не находится в равновесии, происходит диффузия электронов. Например, когда смещение применяется к двум концам куска полупроводника или свет светит в одном месте (см. Рисунок справа), электрон будет диффундировать из областей с высокой плотностью (центр) в области с низкой плотностью (два конца), образуя градиент электронной плотности. Этот процесс генерирует диффузионный ток.
