Токи в собственном (чистом) полупроводнике

3.1. Ток дрейфа. Если к полупроводнику не приложено напряжение, то электроны и дырки совершают тепловое, беспорядочное, хаотическое движение и никакого электрического тока, конечно, нет.

Если к полупроводнику подключить источник постоянного напряжения, то под действием разности потенциалов внутри полупроводника возникает электрическое поле, которое ускоряет электроны и дырки и сообщает им направленное движение, представляющее собой ток проводимости или другое его названиеток дрейфа.

Движение носителей заряда под действием электрического поля чаще называют дрейфом носителей, т.е. током дрейфа Iдр.

Полный ток дрейфа складывается из электронного и дырочного тока дрейфа

 

Iдр = I n др + I p др .

 

Несмотря на то, что электроны и дырки движутся в противоположных направлениях, эти токи складываются, так как движение дырок представляет собой перемещение электронов – их переход с атома на атом.

 

3.2. Диффузионный ток. В полупроводниках помимо тока дрейфа может быть еще диффузионный ток, причиной возникновения которого является не разность потенциалов, т.е. электрическое поле внутри проводника, а разность концентраций подвижных зарядов одного и того же типа в объеме кристалла полупроводника – или дырок или электронов.

Если подвижные заряды, или дырки или электроны, распределены равномерно по полупроводнику, то их концентрация называется равновесной.

Под влиянием каких-либо внешних воздействий в разных частях объема полупроводника концентрация может стать неодинаковой, т.е. неравновесной. Например, если часть полупроводника подвергнуть действию облучения, то в ней усилится генерация пар зарядов (электрон-дырка) и возникнет дополнительная концентрация носителей зарядов, называемая избыточной.

Так как подвижные заряды имеют собственную кинетическую энергию, то они всегда переходят из мест с более высокой концентрацией в места с меньшей концентрацией, т. е. стремятся к выравниванию концентрации. И всегда причиной диффузии является неодинаковость концентрации частиц, а сама диффузия совершается за счет собственной энергии теплового движения частиц.

Диффузионное движение подвижных носителей заряда (электроны и дырки) называется диффузионным токомIдиф. Этот ток, так же как ток проводимости, может быть электронным или дырочным.

Полный ток диффузии складывается из электронного и дырочного тока диффузии

 

Iдиф = I n диф+ I p диф .

 

Ток дрейфа и ток диффузии, генерация пар носителей и их рекомбинация, изменение избыточной концентрации носителей во времени и пространстве не исчерпывают всего многообразия сложных явлений, происходящих в полупроводниках, но они наиболее важны и, зная их, можно правильно понять работу полупроводниковых приборов.

 

Выводы:


1. В чистом, беспримесном полупроводнике, другие его названия – собственный полупроводник, полупроводник i-типа, за счет тепла или иных внешних воздействий, образуется равное количество носителей зарядов – свободных электронов и дырок. Их концентрация очень мала и, следовательно, они обладают плохой электропроводимостью. Поэтому чистые полупроводники, т.е. i-типа, для изготовления полупроводниковых приборов применяются крайне редко.

 

2. В структуре чистых полупроводников выделяют подвижные и неподвижные заряды – отрицательные и положительные.

 

3. Подвижные заряды – это свободные электроны (отрицательно заряженные частицы) и дырки (положительно заряженные частицы).

 

 

4. Неподвижные заряды – это положительные ионы, т.е. атомы, потерявшие электроны с валентной орбиты.

 

5. Ток дрейфа – это направленное движение подвижных зарядов под действием электрического поля.

 

6. Ток диффузии – это направленное движение подвижных зарядов за счет разности концентрации этих зарядов в объеме кристалла полупроводника.


[1] Удельная электрическая проводимость ( γ = 1 / ρ ) – это проводимость единицы объема вещества, например, 1см3. Единица измерения в системе СИ – См/м.

[2] Удельное электрическое сопротивление ( ρ = RS / ℓ ) – это сопротивление единицы объема вещества, например, 1см3. Единица измерения в системе СИ – Ом · м.

[3] Дырку считают положительной квазичастицей, т.е. существующей условно частицей. Её заряд по величине равен заряду электрона, но со знаком плюс: q = + 1,6 · 10 – 19Кл.

[4] W = kT – это формула тепловой энергии в эВ, где k = 1,38·10–23 Дж/К – постоянная Больцмана, T – температура в Кельвинах. Примечание: в макромире энергия измеряется в Дж, а в микромире в эВ, 1эВ = 1,6∙10–19Дж.