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 n_p. Соответственно концентрация дырок будет p_n. 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 (p_n − p_n_₀) или электронов (n_p − n_p_₀):

Скорость рекомбинации дырок в полупроводнике p-типа

(1)

Скорость рекомбинации электронов в полупроводнике n-типа

(2)

где τ_p — время жизни дырок; 
    τ_n — 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; 
    D_n, D_p — 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:

(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 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

Вместе со статьей "Диффузионный ток" читают: