Дрейфовой подвижности

Дрейфовая составляющая тока возникает при действии внешнего электрического поля напряженностью Е на полупроводник. В этом случае электроны и дырки наряду с хаотическим тепловым движением начинают перемещаться вдоль электрического поля, т. е. создают электрический ток. Плотность этого тока численно равна заряду (в кулонах), проходящему через единицу площади за одну секунду.

Вид вольт-амперной характеристики в основном определяется соотношением между диффузионной и дрейфовой составляющими тока. Дрейфовая составляющая тока зависит от скорости движе-

При прямой полярности приложенного напряжения дрейфовая составляющая тока остается практически постоянной, а диффузионная составляющая возрастает по экспоненциальному закону. При отсутствии внешнего напряжения (U = 0) дрейфовая и диффузионная составляющие равны между собой. Уравнение вольт-амперной характеристики р — n-перехода аналогично ранее выведенному уравнению (1.8) для контакта металл — полупроводник. Статическая вольт-амперная характеристика р — n-перехода представлена на 1.8.

где /„ др — дрейфовая составляющая электронного тока; /ЯДИф —диффузионная составляющая электронного тока; /рдр — дрейфовая составляющая дырочного тока; 1рюф—диффузионная составляющая дырочного тока.

3) }РЕ — дрейфовая составляющая плотности тока дырок из области п в область р;

При прямом включении дрейфовая составляющая тока пренебрежимо мала по сравнению с диффузионной. Это объясняется низкой концентрацией неосновных носителей заряда и уменьшением результирующей напряженности электрического поля, обусловливающих дрейфовый ток.

где /пДр=<7П[1п? —дрейфовая составляющая плотности электронного тока; jnw$ = qDndnldx — диффузионная составляющая плотности электронного тока; jp Лр = ЧРЦрЕ— дрейфовая составляющая плотности дырочного тока; /РДИФ = —qDpdp/dx — диффузионная составляющая плотности дырочного тока.

В результате этого возрастает количество носителей, обладающих энергией, достаточной для преодоления потенциального барьера, и увеличивается диффузионная составляющая /ДИф тока через переход. Дрейфовая составляющая определяется только количеством неосновных носителей, подошедших к запирающему слою в процессе теплового движения, причем неосновные носители по-прежнему втягиваются полем перехода. Поэтому дрейфовый ток неосновных носителей от приложенного напряжения не зависит. Таким образом, суммарный ток через переход /а=/диФ—/др>0. Это прямой ток р-п перехода. Потенциальный барьер
Первые слагаемые в правых частях равенств (1-57) и (1-58) соответствуют униполярной диффузии. С помощью вторых слагаемых учитывается дрейфовое движение, которое могло бы возникнуть под действием поля напряженности Е. У электронов дрейфовая составляющая скорости имеет отрицательный знак, так как электроны тормозятся полем, а у ионов — положительный знак, поскольку они ускоряются полем.

Соответствующее распределение концентрации носителей показано на 4.6, в. В данном случае абсолютное значение градиента концентрации носителей растет по мере приближения к коллекторному переходу. При достаточно сильных электрических полях в базе градиент концентрации носителей вблизи эмиттера становится небольшим, т. е. ток здесь преимущественно дрейфовый. Вблизи коллектора концентрация инжектированных носителей падает, соответственно падает и дрейфовая составляющая тока, но зато растет диффузионная составляющая; поэтому полный ток остается постоянным.

ется при приложении к р-п переходу прямого напряжения (плюс к р-области, минус к «-области)—внутренний потенциальный барьер снижается. Равновесие в потоках носителей через переход нарушается в пользу диффузионной составляющей тока, которая при достаточно большом прямом напряжении определяет значение тока через р-п переход. Дрейфовая составляющая тока через р-п переход в выпрямительном диоде является фактически паразитной и должна быть минимально возможной.

§ 3.2. Методы измерения дрейфовой подвижности неосновных носителей заряда

Дрейф неравновесных носителей заряда. Методы измерения дрейфовой подвижности неосновных носителей заряда основаны на регистрации дрейфа совокупности неравновесных носителей заряда в электрическом поле. Они различаются лишь способами их регистрации в некоторой точке образца.

Прежде чем касаться конкретных методов измерения дрейфовой подвижности, рассмотрим процесс дрейфа совокупности неравновесных носителей заряда в электрическом поле. Для этого зададим закон генерации носителей заряда и решим уравнение непрерывности (3.7). Для простоты и наглядности проанализируем одномерную задачу.

Схема измерения. Впервые измерения дрейфовой подвижности носителей заряда были выполнены американскими учеными Дж. Р. Хайнсом, В. Шокли в 1949 г. Схема установки показана на 3.1. Образец германия, на котором производятся измерения, представляет собой прямоугольную пластину. На поверхности образца на расстоянии s установлены два металлических зонда. Образец закрепляется на столике микроскопа. Установка зондов производится с помощью винтовых устройств, расстояние между зондами измеряется по шкале микроскопа.

3.1. Схема установки для измерения дрейфовой подвижности неосновных носителей заряда

Вычисленные таким способом значения дрейфовой подвижности тем ближе к истинным значениям, чем меньше избыточная концентрация носителей заряда. Это связано с нарушением однородности электрического поля, возникающим в результате модуляции проводимости образца неравновесными носителями заряда. Поэтому для точного определения дрейфовой подвижности измеряют время дрейфа при уменьшающемся токе эмиттера. Затем строят зависимость дрейфовой подвижности от тока эмиттера и экстраполируют ее к нулевому току эмиттера. Из этого графика находят точное значение дрейфовой подвижности носителей заряда.

Существующие модификации метода измерения дрейфовой подвижности отличаются от изложенного способами генерации и регистрации неравновесных носителей заряда.

Рассмотрим некоторые из них. Систематическая погрешность при измерении дрейфовой подвижности носителей заряда, как отмечалось, связана с эффектом модуляции проводимости, возникающей при инжекции носителей заряда. Изменение проводимости образца тем заметнее, чем больше избыточная концентрация носителей зарЙяда. Ее можно снизить за счет уменьшения тока эмиттера или длительности эмиттерного импульса тока. В одной из мо-

дификаций метода измерения дрейфовой подвижности используется короткий (длительностью 1—2 мкс) импульс эмиттерного тока. При этом измерительная схема и последовательнэсть ее работы остаются прежними. Осциллограмма коллекторного тока для этого случая приведена на 3.3. Время дрейфа импульса от эмиттера до коллектора равно t2—<ь

В отличие от дрейфовой подвижности носителей заряда, которая определяется путем измерений времени дрейфа неравновесных носителей заряда в электрическом поле, в данном случае значение подвижности носителей заряда, вычисляемое из соотношения Эйнштейна, представляет собой амбиполярную диффузионную подвижность.

По сравнению с методами измерения дрейфовой подвижности рассмотренный метод обладает следующими преимуществами: не требуется изготовление образцов правильной геометрической формы, можно производить измерения на очень низкоомных образцах и на образцах с собственной электропроводностью при использовании более простой экспериментальной установки. Установка менее чувствительна к уровню возбуждения и достаточно измерения лишь при одном уровне возбуждения.