Токи в полупроводниках

Электрический ток в полупроводниках формируется двумя типами носителей и может возникать по двум основным причинам:

- из-за движения носителей зарядов под действием сил внешнего электрического поля;

- из-за движения заряженных частиц в результате диффузии, возникающей вследствие градиента концентрации носителей, т.е. их неравномерного пространственного распределения.

Ток, обусловленный электрическим полем называется дрейфовым током или током проводимости. Если к полупроводнику приложить внешнее электрическое поле, то в нем наблюдается направленное движение дырок вдоль поля и направленное движение электронов в противоположном направлении. Суммарный дрейфовый ток электронов и дырок определяется законом Ома в дифференциальной форме

. (1.19)

где S – площадь поперечного сечения полупроводника.

Диффузионный ток возникает вследствие перемещения носителей заряда из области с высокой концентрацией в область с более низкой концентрацией, т. е. обусловлен наличием градиента концентрации (dn/dx – градиент концентрации электронов; dp/dx – градиент концентрации дырок). Суммарный диффузионный ток электронов и дырок определяется соотношением

, (1.20)

где D_n и D_p – коэффициенты диффузии электронов и дырок

соответственно.

Коэффициент диффузии равен числу носителей заряда, диффундирующих за одну секунду через единичную площадку при единичном градиенте концентрации. Знак «минус» в формуле означает, что диффузия происходит в направлении уменьшения концентрации, а так как дырки имеют положительный заряд, то диффузионный ток будет положительным при dp/dx<0.

Коэффициенты диффузии зависят от типа полупроводника, концентрации примесей, температуры и состояния кристалличе­ской решетки. Например, при комнатной температуре для германия D_n» 100 см²/с, D_р» 47 см²/с для кремния D_n» 30 см²/с, D_p»13cм²/c.

Коэффициент диффузии связан с подвижностью носителей заряда соотношениями Эйнштейна:

(1.21)

, (1.22)

где – тепловой потенциал.

Общий ток в полупроводнике может содержать четыре составляющие

. (1.23)

В состоянии равновесия общий суммарный ток в любой точке полупроводника и для любого момента времени всегда равен нулю.