Неравновесная концентрация

Механизм распределения токов в р — п — р-структуре аналогичен их распределению в п — р — «-структуре. В первом случае неосновными неравновесными носителями заряда являются дырки, во втором — электроны.

Неравновесные носители заряда и их основные характеристики. Воздействие света, электрического поля и других факторов может привести к появлению дополнительных, избыточных по отношению к равновесным, концентраций свободных носителей, их называют неравновесными носителями заряда. При неизменной интенсивности внешнего фактора в полупроводнике устанавливается стационарное состояние, при котором скорости генерации и рекомбинации носителей заряда равны. В этих условиях концентрации избыточных носителей заряда равны: An = = п — п0 и Ар = р = рй, где пир — постоянные концентрации электронов и дырок при наличии внешнего фактора; п0 и р„ — то же, в отсутствие внешнего фактора, т. е. равновесные концентрации. Если в полупроводнике нет объемного заряда, то выполняется условие его электрической нейтральности:

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.

Рассмотрим возможные способы регистрации неравновесных носителей заряда, дрейфующих в электрическом поле. Предположим, что в некоторой области образца в момент времени /=0 в результате инжекции возникли неравновесные носители заряда: электроны An и дырки Ар. По условию электэонейтральности, Дп=Ар в каждой точке образца в любой момент времени. Увеличение концентрации носителей заряда приводит к возрастанию удельной проводимости в той области образца, гд<; An и Ар отличны от нуля. Если к образцу приложено внешнее напряжение и по нему протекает ток, то в результате инжекции происходит увеличение тока. Если, например, поперечное сечение однородного по удельному сопротивлению образца резко изменяется в некоторой точке х\, то соответственно изменяется электричежое поле в этой точке. В момент времени, когда неравновесные носители заряда достигнут точки xi, произойдет изменение протекающего в цепи тока. Аналогичным образом изменяется ток в цепк при достижении неравновесными носителями заряда области с повышенным или пониженным удельным сопротивлением. Созданная в образце неоднородность удельного сопротивления или электрического поля позволяет регистрировать момент прихода неравновесных носителей заряда.

Воздействие света, электрического поля и других факторов может привести к появлению дополнительных, избыточных по отношению к равновесным, концентраций свободных носителей, их называют неравновесными носителями заряда. При неизменной интенсивности внешнего фактора в полупроводнике устанавливается стационарное состояние, при котором скорости генерации и рекомбинации носителей заряда равны. В этих условиях концентрации избыточных носителей заряда равны: Дл = п — пд и Др = р - ро, где пир- постоянные концентрации электронов и дырок при наличии внешнего фактора; пд и ро — то же, в отсутствие внешнего фактора, т. е. равновесные концентрации. Если в полупроводнике нет объемного заряда, то выполняется условие его электрической нейтральности:

Закономерности движения носителей заряда. Концентрация носителей заряда в электронном объеме полупроводника может изменяться за счет генерации и рекомбинации носителей, а также при возбуждении полупроводника (например, при освещении, действии внешнего электрического или магнитного поля). При возбуждении полупроводника концентрация подвижных носителей заряда - электронов (п) и дырок (р) превышает равновесную концентрацию (и0 и ра). Это приводит к увеличению проводимости полупроводника. Электроны или дырки проводимости, не находящиеся и термодинамическом равновесии, называются неравновесными носителями заряда.

Подвижные носители заряда, не находящиеся в термодинамическом равновесии по концентрации, называются неравновесными носителями заряда, а их концентрация п, р — неравновесной концентрацией. Избыток неравновесной концентрации носителей заряда Л«, Ар называется избыточной концентрацией.

8. Что называется неравновесными носителями заряда?

После окончания освещения образца электроны переходят на более низкие энергетические уровни — примесные или в валентную зону. При непрерывном освещении полупроводника устанавливается динамическое равновесие между образующимися дополнительными (неравновесными) носителями и уходящими на нижние уровни, т. е. устанавливается динамическое равновесие между процессами генерации носителей заряда и рекомбинацией их.

Семейство выходных характеристик фототранзистора в схеме с ОЭ приведено на 7.17, в. Фототок образован генерируемыми в области базы неравновесными носителями. Он пропорционален световому потоку — параметру семейства выходных характеристик, аналогичных выходным характеристикам транзистора (см.§ 4.6).

Контрольные вопросы и задания. 1. По какому основному признаку все вещества делят на три класса? 2. Что называют ковалентной связью между атомами кристаллического полупроводника? 3. Что является носителями электрических зарядов в полупроводнике? 4. С помощью потенциальной диаграммы покажите образование носителей электрических зарядов для чистого полупроводника, полупроводников я- и р-типов. 5. Напишите условие равновесной концентрации для чистого и примесного полупроводников. Что называют равновесной концентрацией? 6. Что называют донорными, акцепторными примесями? 7. Как определить равновесную концентрацию дырок в примесном полупроводнике я-типа? 8. Что называют неравновесными носителями заряда? 9. Что называют временем жизни неравновесных носителей заряда?

2.3. НЕРАВНОВЕСНАЯ КОНЦЕНТРАЦИЯ НОСИТЕЛЕЙ

2.3. Неравновесная концентрация носителей.......... 1.9

При воздействии на полупроводник нетеплового внешнего энергетического фактора (света, сильного электрического поля и др.) из-за генерации новых носителей заряда их концентрация п и р (неравновесная концентрация) будет превышать равновесную концентрацию на величину А« (или Др), которую называют избыточной концентрацией. Таким образом,

Невырожденный полупроводник 12 Непосредственная рекомбинация 9 , Непрямой переход электронов 32 Неравновесная концентрация носителей заряда 9

Неравновесное состояние. В результате внешнего воздействия (облучение светом, быстрый нагрев, бомбардировка частицами и т. д.) в некотором объеме кристалла могут развиться интенсивные процессы генерации свободных носителей. Равновесное состояние в этом случае будет нарушено: в части кристалла, подвергающегося внешнему воздействию, образуется повышенная или пониженная — неравновесная — концентрация свободных носителей:

где Ад (0) — неравновесная концентрация в момент прекращения возмущающего действия. Следовательно, за время т число неравно-

Второй, часто встречающийся в теории полупроводниковых приборов случай приводит к преобразованию уравнений непрерывности в уравнения диффузии. Предположим, что в некотором объеме Д7 «-полупроводника в результате внешнего воздействия образовалась неравновесная концентрация дырок р, превышающая равновесную концентрацию р0 на величину Ар. Предположим далее, что Ар <; щ — равновесной концентрации электронов, так что пришедшие к объему AF для компенсации положительного заряда электроны лишь несущественно повлияли на перераспределение зарядов в полупроводнике, и поле § пренебрежимо мало. В результате возникшего градиента концентраций дырки и электроны будут диффундировать из объема AF, постепенно рекомби-нируя. В этом случае в стационарном режиме и при условии, что Gp = Gn = 0, уравнения непрерывности принимают вид:

Коэффициент поглощения а0, как известно, зависит от частоты. Предположим, что для частот, отвечающих условию (14-20), а() достаточно велик, так что основные акты поглощения происходят в толще р-полупроводника, недалеко от его поверхности. В результате собственного поглощения образуются пары свободных зарядов: электроны и дырки. В ^-полупроводнике, таким образом, создается неравновесная концентрация зарядов, обоих знаков, которые и диффундируют по направлению к области с меньшей концентрацией, т. е. к запирающему слою. Достигнув этого слоя, электроны увлекаются контактным полем §к и перебрасываются в га-область, где они являются основными носителями. Дырки тормозятся контактным полем и остаются в р-области. Таким образом, по обе стороны запирающего слоя увеличивается концентрация основных носителей зарядов.

где Др = р — рп0 — неравновесная концентрация дырок в n-базе; тр — время жизни дырок в n-базе; Dp — коэффициент диффузии дырок.

В течение времени t=tp избыточная концентрация уменьшается в е раз. Время жизни неосновных носителей является важнейшим электрофизическим параметром полупроводников. Оно характеризует скорости изменения концентраций носителей, поэтому такой важнейший показатель, как быстродействие, для многих приборов (например, биполярных транзисторов) зависит от этого параметра. Если в (1.19) Арп<0, т.е. неравновесная концентрация меньше равновесной, то уравнение описывает процесс тепловой генерации, в результате которого устанавливаются равновесные концентрации носителей. Пусть, например, Арп(0) = ——Рпо, т.е. начальная концентрация дырок равна нулю р„(0)=0. Тогда неравновесная концентрация изменяется как

Если с помощью какого-либо внешнего воздействия динамическое равновесие концентраций электронов и дырок в полупроводнике нарушено, то появляется дополнительная неравновесная концентрация носителей заряда. После прекращения внешнего воздействия происходит процесс рекомбинации и полупроводник приходит в равновесие.