3.5.4. Влияние сильных электрических полей на электропроводность полупроводников.▲

В сильных электрических полях нарушается пропорциональность между плотностью тока в полупроводнике и напряженностью внешнего электрического поля:

J = γE (3.10)

где J – плотность тока, γ – удельная проводимость, Е – напряженность внешнего электрического поля.

Рис. 3.10. Зависимость электропроводности от напряженности

электрического поля.

Это является следствием физических процессов, вызывающих изменение удельной проводимости полупроводника. Напряженность поля, которую условно можно принять за границу между областью слабых 1 и сильных 2 полей (рис. 1.10), называют критической Е_кр. Эта граница не является резкой и определенной и зависит от природы полупроводника, концентрации примесей и температуры окружающей среды. Для ряда ПП зависимость удельной проводимости от напряженности поля описывается выражением:

(3.11)

где γ – удельная проводимость полупроводника при ЕЕ_кр,- коэффициент, характеризующий полупроводник.

 Возрастание проводимости обусловлено ростом числа носителей заряда, т.к. под влиянием поля они более легко освобождаются тепловым возбуждением. При дальнейшем росте поля может появиться механизм ударной ионизации, приводящий к разрушению структуры полупроводника.

3.6. Токи в полупроводниках.▲

3.6.1. Дрейфовый ток.▲

Электроны и дырки в кристалле находятся в состоянии хаотического теплового движения. При возникновении электрического поля на хаотическое движение накладывается компонента направленного движения, обусловленная действием этого поля. В результате электроны и дырки начинают перемещаться вдоль кристалла – возникает электрический ток, который называют дрейфовым.

Рис. 3.11. Перемещение заряженных частиц под действием

электрического поля в полупроводнике.

Формулы для расчета плотности дрейфовых токов:

J_{p др} = e p μ_p E, (3.12)

J_{n др} = e n μ_n E. (3.13)

е – заряд электрона, р и n – соответствующие концентрации дырок и электронов, μ_p и μ_n – подвижности дырок и электронов, Е – напряженность поля.

3.6.2. Диффузионный ток.▲

Причиной, вызывающей ток в полупроводнике, может быть не только электрическое поле, но и градиент концентрации подвижных носителей заряда.

Если тело электрически нейтрально и в любой его микрообласти суммарный положительный и отрицательный заряд равен нулю, то различие в концентрациях носителей заряда в соседних областях не приведет к появлению электрического тока и электрических сил расталкивания, выравнивающих концентрацию. Но в соответствии с общими законами теплового движения возникнет диффузия микрочастиц из области с большей их концентрацией в область с меньшей, причем плотность диффузионного тока пропорциональна градиенту концентрации носителей заряда:

J_{p диф} = –е D_p dp/dx (3.14)

где D_p – коэффициент диффузии дырок, dp/dx – градиент концентрации дырок, «–» – указывает, что диффузионный дырочный ток направлен в сторону уменьшения концентрации дырок.

J_{n диф} = e D_n dn/dx (3.15)

Отсутствие минуса говорит лишь о том, что направление электрического тока, принятого в электротехнике, противоположно направлению потока электронов, а этот поток также движется в сторону уменьшения концентрации.

В общем случае в полупроводнике могут существовать и электрическое поле, и градиент концентрации носителей заряда. Тогда электронный и дырочный токи в полупроводнике будет иметь как дрейфовую, так и диффузионную составляющие:

J_p = e p μ_p E – е D_p dp/dx, (3.16)

J_n = e n μ_n E + e D_n dn/dx . (3.17)