Неравновесная концентрация зарядов в полупроводнике

Равновесная концентрация зарядов в примесном полупроводнике

Полупроводник с донорной примесью. Обозначим концентрацию донорной примеси N_Д. Так как ее энергия ионизации ∆W_n очень невелика (∆W_n ~ 0,01 эВ, см. табл. 1.2), то при комнатной и даже более низкой температуре практически все примесные атомы оказываются ионизированными. Таким образом, концентрация электронов проводимости в полупроводнике с донорной примесью

п_п = N_я + п_i, (1.2)

т. е. она больше, чем в беспримесном полупроводнике. Обычно концентрация донорной примеси N_Д>>n_i и

п_п ~ N_Д. (1.3)

Поскольку скорость рекомбинации носителей заряда в полупроводнике пропорциональна концентрации электронов и дырок:

v_рек= n_np_n,

а скорость генерации при малых концентрациях примеси остается той же, что и в собственном полупроводнике:

v_ген = n

при динамическом равновесии, когда v_ген = v_рек,

n_i = n_nр_n.

Отсюда равновесная концентрация дырок в примесном полупроводнике

р_n =n²_i/n_n = n²_i/N_Д,, (1.4)

т. е. она значительно ниже, чем в беспримесном полупроводнике. Поэтому в данном случае дырки называют неосновными носителями заряда, а электроны, составляющие подавляющую массу подвижных носителей, – основными носителями заряда. Полупроводник с донорной примесью называют электронным полупроводником или полупроводником n–типа (от лат. negative – отрицательный).

Электроны в данном случае являются неосновными носителями заряда, а дырки – основными носителями заряда. Полупроводник с акцепторной примесью называют дырочным полупроводником или полупроводником р-типа (от латинского positive – положительный).

В полупроводнике под влиянием различных энергетических воздействий может возникнуть неравновесная концентрация зарядов, после прекращения воздействия избыточные носители постепенно рекомбинируют и концентрация вновь становится равновесной.

Образование неравновесных носителей заряда может происходить, например, при освещении полупроводника. Кванты света с энергией hν = 1,5 – 3 эВ при воздействии на полупроводник вызывают появление в нем дополнительных электронно – дырочных пар. В полупроводниковых диодах и транзисторах неравновесные носители заряда образуются, как увидим далее, при прохождении электрического тока.

Процесс рекомбинации электронов и дырок может происходить либо прямым путем – из зоны в зону (рис. 1.5, случай А) либо через локальные энергетические уровни в запрещенной зоне, называемые центрами рекомбинации или ловушками (рис. 1.5, случай Б). Второй механизм рекомбинации является более вероятным, чем первый, так как здесь движется лишь один носитель заряда, другой неподвижен, и вероятность сближения их на расстояние, пpи котором возможна рекомбинация (~ 0,1 нм), значительно выше, чем в случае, когда оба носителя заряда

перемещаются по кристаллической решетке.

Рис. 1.5

Центры рекомбинации создаются примесями, имеющими энергетические уровни вблизи середины запрещенной зоны полупроводника. К таким примесям относятся медь, никель, кобальт, золото. Дефекты решетки, донорные и акцепторные примеси также могут создавать центры рекомбинации.

Скорость рекомбинации. Пусть в начальный момент при t = 0 концентрация р = р_о. При небольших превышениях неравновесной концентрации р над равновесной р_п можно считать, что число рекомбинирующих в объеме частиц d(p – р_п) пропорционально избыточной концентрации (р – р_п) и времени dt:

d(p - p_n) = а'(p - p_n)dt_, (1.5)

где а'— коэффициент, определяемый типом полупроводника.

Рекомбинация может происходить не только в объеме, но и на поверхности полупроводника, а скорость ее протекания может быть различной даже в одном и том же типе полупроводника. Время жизни неравновесных носителей заряда в германии и кремнии может составлять широкий диапазон значений (от долей микросекунды до тысяч микросекунд) в зависимости от количества и типа примеси, а также от состояния и чистоты поверхности. Последнее объясняется тем, что на поверхности полупроводника всегда имеются различные дефекты структуры, а также пленки окислов и молекулы адсорбированных газов, которые могут образовывать большое число локальных уровней, вызывающих интенсивный процесс рекомбинации электронно-дырочных пар. Роль поверхностной рекомбинации тем выше, чем больше отношение площади поверхности образца к объему, т. е. чем меньше размеры образца.

Дата добавления: 2015-05-26