В полупроводниках, помимо тока проводимости, может
быть еще диффузионный ток, причиной возникновения которого является
не разность потенциалов, а разность концентраций носителей. Выясним
сущность этого тока.
Если концентрация носителей заряда распределена равномерно по полупроводнику,
то она является равновесной. Под влиянием каких-либо внешних воздействий
в разных частях полупроводника концентрация может стать неодинаковой,
т. е. неравновесной. Например, если часть полупроводника подвергнуть
действию излучения, то в ней усилится процесс генерации пар носителей
и возникнет дополнительная концентрация носителей, называемая избыточной.
Так как носители имеют собственную кинетическую энергию, то они
всегда стремятся переходить из мест с более высокой концентрацией
в места с меньшей концентрацией,т. е. стремятся к выравниванию концентрации.
Явление диффузии наблюдается для многих частиц вещества, а не только
для подвижных носителей заряда. Всегда причиной диффузии является
неодинаковость концентрации частиц, а сама диффузия совершается
за счет собственной энергии теплового движения частиц.
Диффузное движение подвижных носителей заряда (электронов и дырок)
представляет собой диффузный ток /. Этот ток так же, как ток проводимости,
может быть электронным или дырочным. Плотности этих токов определяются
следующими формулами: i = eDn ?n /?x и ip=– eDp?p /?x, где величины
?n/?x и ?с/?x являются так называемыми градиентами концентрации,
а Dnи Dp– коэффициенты диффузии. Градиент концентрации характеризует,
насколько резко меняется концентрация вдоль расстояния х, т. е.
каково изменение концентрации nили pна единицу длины. Если разности
концентрации нет, то ?n=0 или ?p =0 и никакого тока диффузии не
возникает. А чем больше изменение концентрации ?n или ?p на данном
расстоянии ?x, тем больше ток диффузии.
Коэффициент диффузии характеризует интенсивность процесса диффузии.
Он пропорционален подвижности носителей, различен для разных веществ
и зависит от температуры. Коэффициент диффузии для электронов всегда
больше, чем для дырок.
Знак «минус» в правой части формулы для плотности дырочного диффузионного
тока поставлен потому, что дырочный ток направлен в сторону уменьшения
концентрации дырок.
Если за счет какого-то внешнего воздействия в некоторой части полупроводника
создана избыточная концентрация носителей, а затем внешнее воздействие
прекратилось, то избыточные носители будут рекомбинировать и распространяться
путем диффузии в другие части полупроводника.
Величина, характеризующая процесс убывания избыточной концентрации
во времени, называется временем жизни неравновесных носителей.
Рекомбинация неравновесных носителей происходит в объеме полупроводника
и на его поверхности и сильно зависит от примесей, а также от состояния
поверхности.
При диффузном распространении неравновесных носителей, например
электронов, вдоль полупроводника концентрация их вследствие рекомбинации
также убывает с расстоянием.
|