диффузия носителей заряда в полупроводниках

ДИФФУЗИЯ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА В ПОЛУПРОВОДНИКАХ - перемещение носителей заряда (электронов проводимости и дырок) в полупроводниках, обусловленное неоднородностью их концентраций. Количественной мерой Д. н. з. в п. являются коэф. диффузии электронов и дырок D_Э , D_Д - коэф. пропорциональности между градиентом концентрации и диффузионным потоком соответствующих носителей (обычно D_Э>D_Д). Плотность тока проводимости, создаваемого в полупроводнике носителями каждого типа, складывается из плотности дрейфового и диффузионного токов:

Здесь е - абс. величина заряда электрона, E - напряжённость электрич. поля, п и р - концентрации электронов и дырок, - их подвижности. Вблизи состояния термодинамич. равновесия коэф. диффузии носителей в невырожденном полупроводнике связаны с подвижностями соотношением Эйнштейна:

где T - абс. темп-pa. Вдали от равновесного состояния соотношение Эйнштейна может нарушаться. Д. н. з. в п. обладает рядом особенностей, отличающих её, напр., от диффузии нейтральных частиц в газе. Прежде всего, перенос заряда при Д. н. з. в п. приводит к возникновению объёмного заряда и электрич. поля, к-рое необходимо учитывать в выражениях для плотности тока. В полупроводниках с монополярной (примесной) проводимостью нарушение зарядовой нейтральности происходит на расстояниях порядка дебаевской длины экранирования.

Др. особенность Д. н. з. в п. определяется наличием носителей двух знаков в полупроводниках с биполярной проводимостью. Объёмный заряд, возникающий при диффузии носителей одного типа, может компенсироваться носителями др. типа. Обычно коэф. диффузии носителей разного знака различны. Поле объёмного заряда замедляет белее подвижные и ускоряет менее подвижные носители. В результате происходит совместное перемещение носителей заряда обоих знаков, имеющее характер диффузии (биполярная, или амбиполярная, диффузия). Диффузионные потоки электронов и дырок при биполярной диффузии пропорциональны градиентам концентрации соответствующих носителей, причём коэф. пропорциональности (коэф. биполярной диффузии) равен:

Для полупроводника n-типа , для полупроводника p-типа , т. е. в обоих случаях D совпадает с коэф. диффузии неосновных носителей. Это связано с нейтрализацией возникающего объёмного заряда осн. носителями. Для собств. полупроводника . При D_Э>D_Д выполняется неравенство D_Д<D_i<D_Э.

Д. н. з. в п. сопровождается рекомбинацией носителей заряда в полупроводниках. В результате при биполярной диффузии неравновесных носителей диффузионный поток проникает на расстояния порядка диффузионной длины носителей от источника неравновесных носителей.

Распределение концентрации неравновесных неосновных носителей (дырок в полупроводнике n-типа) в отсутствие внеш. полей описывается ур-нием диффузии:

где - время жизни дырок, - мощность источника неравновесных дырок, r - пространств. координата точки (от точки генерации). Аналогичное ур-ние имеет место для неравновесных электронов в полупроводнике р-типа.

Д. н. з. в п. может осложняться процессами захвата носителей на т. н. уровни прилипания. Биполярная Д. н. з. в п. является причиной Дембера эффекта, Фотомагнитоэлектрического эффекта и др. Она определяет работу ряда полупроводниковых приборов - полупроводникового диода, транзистора и др.

Лит.: Бонч-Бруевич В. Л., Калашников С. Г., Физика полупроводников, M., 1977; 3еегер К., Физика полупроводников, пер. с англ., M., 1977.

Э. M. Эпштейн.

   <<      Предметный указатель      >>