Основные и неосновные носители заряда в примесных полупроводниках. Закон действующих масс.
ОСНОВНЫЕ
И НЕОСНОВНЫЕ НОСИТЕЛИ
заряда в полупроводниках, электроны
проводимости в полупроводниках n-типа
и дырки в полупроводниках р-типа. В
невырожденном собственном ПП равновесные
концентрации эл-нов n и дырок р равны:
n=р=ni??(NcNv)exp(-?g/2kT), где Nc и Nv — эфф. плотности
состояний в зоне проводимости и в
валентной зоне, ?g — ширина запрещённой
зоны. Величина ni зависит только от
темп-ры Т и давления.
В примесных ПП
n и p связаны соотношением: np=n2i. Т. о., при
увеличении равновесной концентрации
основных носителей (напр., при легировании
ПП соответствующей примесью) концентрация
неосновных носителей убывает и наоборот.
В неравновесных условиях (напр., при
освещении ПП) может увеличиваться
концентрация как основных, так и
неосновных носителей. Основные носители
определяют тип проводимости ПП
(электронный или дырочный).
В
равновесных условиях концентрация
неосновных носителей обычно мала (<-ni).
Внеш. воздействиями (освещением,
облучением быстрыми ч-цами, инжекцией
носителей заряда и т. п.) её можно увеличить
во много раз.
Закон действующих массЗакон действующих масс для носителей заряда применим только к равновесным процессам. Генерация носителей заряда в полупроводниках может осуществляться не только за счет теплового воздействия но и при облучении светом, при воздействии электрического поля, при инжекции (см. ИНЖЕКЦИЯ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА) через контакт и т. д. В результате таких воздействий в полупроводнике появляются дополнительные, неравновесные носители заряда. Их концентрация является избыточной по отношению к равновесной и после прекращения нетеплового возбуждения полупроводник возвращается в равновесное состояние, при этом избыточная концентрация носителей заряда за счет процесса рекомбинации спадает до нуля. Принцип действия почти всех электронных приборов основан на явлении инжекции неравновесных носителей при воздействии на кристалл внешних сил (световое, электромагнитное излучение радиочастотного диапазона, облучение ядерными частицами и т. д.). Поэтому скорость рекомбинации определяет быстродействие прибора. Чем больше скорость рекомбинации, тем на более высоких частотах будет работать прибор.
Скорость рекомбинации характеризуется временем жизни носителей заряда — характеристическим временем, по истечении которого избыточная концентрация носителей заряда при линейной рекомбинации уменьшается в е раз. Т. е. характеризует среднее время существования избыточной концентрации и зависит от вида и механизма рекомбинации, состава полупроводника, температуры.
Существует два вида рекомбинации: зона — зона, при котором избыточные электроны из зоны проводимости непосредственно переходят в валентную зону, и рекомбинация через глубокие уровни в запрещенной зоне полупроводника. При рекомбинации происходит отдача энергии, полученной при генерации. Механизмы рекомбинации классифицируют по способу отдачи энергии, выделяющейся при акте захвата носителей при рекомбинации.
Наиболее вероятные механизмы рекомбинации в полупроводниках:
- излучательная рекомбинация, при которой энергия выделяется в виде кванта электромагнитного излучения; - фононная рекомбинация, связанная с непосредственной передачей выделяющейся энергии колебаниям атомной решетки: - ударная рекомбинация (эффект Оже (см. ИОНИЗАЦИЯ)), когда энергия сначала передается ближайшему свободному электрону (или дырке), который затем отдает свою избыточную энергию либо колебаниям атомов решетки, либо другим носителям.
Все три механизма могут осуществляться как при рекомбинации зона-зона, так и при рекомбинации через локальные центры.