Диффузионный ток

Диффузионный ток вызывается неравномерным распределением носителей заряда в полупроводнике. Диффузионный ток возникает под воздействием таких факторов, как свет, радиация, градиент температуры.

Кроме теплового возбуждения, приводящего к возникновению равновесной концентрации зарядов, равномерно распределенных по объему полупроводника, обогащение полупроводника электронами до концентрации np и дырками до концентрации pn может осуществляться его освещением, облучением потоком заряжённых частиц, введением их через контакт (инжекцией) и т. д. В этом случае энергия возбудителя передается непосредственно носителям заряда и тепловая энергия кристаллической решетки остается практически постоянной. Следовательно, избыточные носители заряда не находятся в тепловом равновесии с решеткой и поэтому называются неравновесными. В отличие от равновесных они могут неравномерно распределяться по объему полупроводника, как это показано на рисунке 1.

Диффузионный ток в полупроводнике
Рисунок 1 Диффузионный ток в полупроводнике

После прекращения действия возбудителя за счет рекомбинации электронов и дырок концентрация избыточных носителей быстро убывает и достигает равновесного значения. Скорость рекомбинации неравновесных носителей пропорциональна избыточной концентрации дырок (pnpn0) или электронов (npnp0):

Скорость рекомбинации дырок в полупроводнике p-типа        (1)
Скорость рекомбинации электронов в полупроводнике n-типа        (2)
где τp — время жизни дырок; 
    τn — время жизни электронов. 

За время жизни концентрация неравновесных носителей уменьшается в 2,7 раза. Их время жизни обычно находится в пределах 0,01 ... 0,001 с. Носители зарядов рекомбинируют в объеме полупроводника и на его поверхности.

Неравномерное распределение неравновесных носителей зарядов сопровождается их диффузией в сторону меньшей концентрации. Это движение носителей зарядов приводит к появлению электрического диффузионного тока. Он показан на рисунке 1. Знак "минус" в выражении (2) означает противоположную направленность диффузионного тока при движении электронов и дырок в сторону уменьшения их концентраций в полупроводнике.

Рассмотрим одномерный случай. Пусть в полупроводнике концентрации электронов n(x) и дырок p(x) являются функциями координаты. Это приведет к диффузионному движению дырок и электронов из области с большей их концентрацией в область с меньшей концентрацией.

Диффузионное движение носителей зарядов обусловливает прохождение диффузионного тока электронов и дырок, плотности которых определяются из соотношений:

Плотность диффузионного тока, определяемого электронами        (3)
Плотность диффузионного тока, определяемого дырками        (4)
где dn(x)/dx, dp(x)/dx — градиенты концентраций электронов и дырок; 
    Dn, Dp — коэффициенты диффузии электронов и дырок.

Градиент концентрации характеризует степень неравномерности распределения зарядов (электронов и дырок) в полупроводнике вдоль какогото выбранного направления (в данном случае вдоль оси x). Коэффициенты диффузии показывают количество носителей заряда, 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:

Коэффициент диффузии электронов        (5)
Коэффициент диффузии дырок        (6)

Если в полупроводнике существует и электрическое поле, и градиент концентрации носителей, проходящий ток будет иметь дрейфовую и диффузионную составляющие. В таком случае плотности токов электронов и дырок рассчитываются по следующим уравнениям:

Плотность диффузионного тока электронов        (7)
Плотность диффузионного тока дырок        (8)

Дата последнего обновления файла 22.11.2019

Литература:

  1. Электронные, квантовые приборы и микроэлектроника. Под редакцией Федорова Н. Д. - М.: Радио и связь, 1998. -560 с.
  2. Электронные приборы. Под редакцией Шишкина Г.Г. -М.: Энергоатомиздат, 1989.-496 с.
  3. Батушев В. А. Электронные приборы. -М.: Высшая школа, 1980. -383 с.
  4. Савиных В. Л. Физические основы электроники. Методические указания и контрольные задания. СибГУТИ, 2002.

Вместе со статьей "Диффузионный ток" читают:

Полупроводники с собственной проводимостью
http://digteh.ru/foe/semicond/

Полупроводники с электронной проводимостью
http://digteh.ru/foe/nsemicond/

Полупроводники с дырочной проводимостью
http://digteh.ru/foe/psemicond/




Автор Микушин А. В. All rights reserved. 2001 ... 2019

Предыдущие версии сайта:
http://neic.nsk.su/~mavr
http://digital.sibsutis.ru/

Поиск по сайту сервисом Яндекс
Поиск по сайту сервисом ГУГЛ
Об авторе:
к.т.н., доц., Александр Владимирович Микушин

Кандидат технических наук, доцент кафедры САПР СибГУТИ. Выпускник факультета радиосвязи и радиовещания (1982) Новосибирского электротехнического института связи (НЭИС).

А.В.Микушин длительное время проработал ведущим инженером в научно исследовательском секторе НЭИС, конструкторско технологическом центре "Сигнал", Научно производственной фирме "Булат". В процессе этой деятельности он внёс вклад в разработку систем радионавигации, радиосвязи и транкинговой связи.

Научные исследования внедрены в аппаратуре радинавигационной системы Loran-C, комплексов мобильной и транкинговой связи "Сигнал-201", авиационной системы передачи данных "Орлан-СТД", отечественном развитии системы SmarTrunkII и радиостанций специального назначения.

А.В.Микушин является автором более 70 научных и научно-методических работ, в том числе 16 книг.

Рейтинг@Mail.ru


Яндекс.Метрика