Токовые неустойчивости в сильных электрических полях

 

Как следует из сказанного выше, под влиянием сильного электрического поля появляется зависимость электропроводности полупроводников от напряженности этого поля, т.е. закон Ома становится нелинейным (рис. 6.7, а).

Если в полупроводниках преобладают процессы, связанные с ростом концентрации неравновесных носителей, то ток растет быстрее, и кривую 1 называют суперлинейной. Когда преобладают процессы, связанные с уменьшением подвижности, ВАХ становиться сублинейной (кривая 2).

В первом и во втором случае во всех точках кривых 1 и 2 ток растет, т.е. дифференциальная электропроводность всюду положительна

. (6.64)

в)
б)
а)

 

 

Рис. 6.7. Типы вольт-амперных характеристик в сильном поле: а – суперлинейная (1),

сублинейная (2); б – характеристика N-типа; в – характеристика S-типа

Два других типа вольт-амперных характеристик, встречающихся на практике, приведены на рис. 6.7, б и 6.7, в. Эти ВАХ содержат участок, где σd отрицательна

(6.65)

Пусть полупроводник имеет характеристику S-типа (рис. 6.8, а). Электрическому полю Е соответствуют три значения плотности тока j1, j2 и j3.

Состояние с j3 неустойчиво, так как для него σd <0 , а состояния j1 и j2 устойчивы, поскольку для них σd >0.

б)
а)

 

 

Рис. 6.8. Схема возникновения шнуров тока в сильном поле: а – S-характеристика;

б – токи в образце

Если в образце возникает по каким-либо причинам флуктуация заряда (локальное отклонение от электронейтральности), то она обычно рассасывается по закону , где τн – максвелловское время.

. (6.66)

Очевидно, что в случае σd < 0 экспонента возрастает со временем, и флуктуация будет не рассасываться, а возрастать.

Система, выведенная из состояния равновесия, в него не вернется, образец разобьется на домены с различной плотностью тока j1 и j3 т.е. различной концентрацией носителей заряда. Произойдет так называемое шнурование тока (рис. 6.8, б).

В кристалле с характеристикой N-типа заданному значению плотности тока j1 соответствуют три значения поля Е1, Е2, E3 (рис. 6.9, а).

Состояние с полем Е2 неустойчиво, так как в этом случае σd < 0, а состояние с полем Е1 и E3 – устойчивы.

В результате роста возможной флуктуации объем кристалла разобьется на области, но уже не продольные, а поперечные. Внутри домена подвижность носителей будет меньшей, а напряженность поля большей E3, чем вне него E1 (рис. 6.9, б).

 

б)
а)

 

Рис. 6.9. Схема возникновения домена сильного поля: а – N-характеристика;

б – домен сильного поля