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.

Диффузионный ток в полупроводнике
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 (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. 

Знак "минус" в выражении (2) означает противоположную направленность диффузионного тока при движении электронов и дырок в сторону уменьшения их концентраций в полупроводнике. За время жизни концентрация неравновесных носителей уменьшается в 2,7 раза (в exp(1) раз). Их время жизни обычно находится в пределах 0,01 ... 0,001 с. Носители зарядов рекомбинируют в объеме полупроводника и на его поверхности.

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:

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.

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.

Сумма диффузионных токов в полупроводнике с собственной проводимостью
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:

Коэффициент диффузии электронов        (5)
Коэффициент диффузии дырок        (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:

Плотность диффузионного тока электронов        (7)
Плотность диффузионного тока дырок        (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 p-области диода.

Диффузионный ток и дрейфовый ток в полупроводниковом диоде
Рисунок 3. Диффузионный ток в полупроводниковом диоде, вызванный инжектированными электронами

Итог:

  • диффузионный ток — это ток, который протекает в полупроводнике под воздействием температуры, света, радиации или инжекции.
  • диффузионный ток является основным током, определяющим работу полупроводниковых диодов и транзисторов

Дата последнего обновления файла 24.12.2019

Литература:

  1. В. Н. Дулин Электронные и ионные приборы - М. - Л.: Государственное энергетическое издательство, 1963. -544 с.
  2. Электронные, квантовые приборы и микроэлектроника. Под редакцией Федорова Н. Д. - М.: Радио и связь, 1998. -560 с.
  3. Электронные приборы. Под редакцией Шишкина Г.Г. -М.: Энергоатомиздат, 1989.-496 с.
  4. Батушев В. А. Электронные приборы. -М.: Высшая школа, 1980. -383 с.
  5. Савиных В. Л. Физические основы электроники. Учебное пособие. — Новосибирск.: СибГУТИ, 2003. — 77 с.
  6. Глазачев А. В. Петрович В. П. Физические основы электроники. Конспект лекций — Томск: Томский политехнический университет, 2015.

Вместе со статьей "Диффузионный ток" читают:

Основы квантовой теории строения атома
https://digteh.ru/foe/atom/

Получение чистых полупроводников электронного качества
https://digteh.ru/foe/semicond/produce/

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

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

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

Зонная теория проводимости
https://digteh.ru/foe/zon_teor/

Дрейфовый ток
https://digteh.ru/foe/dreif_i/




Автор Микушин А. В. All rights reserved. 2001 ... 2020

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 82 научных и научно-методических работ, в том числе 18 книг.

Top.Mail.Ru


Яндекс.Метрика