Инжекция носителей зарядов

За счет снижения потенциального барьера при прямом смещении p-n-перехода происходит нагнетание носителей заряда через p-n-переход в область полупроводника, где они являются неосновными носителями (рис.2.10.).

Процесс введения носителей зарядов, создающих избыточную (неравновесную) концентрацию в полупроводниковом слое, называется инжекцией. В рассматриваемом случае это инжекция дырок из области р в область n и инжекция электронов из области n в область р. Если начальная концентрация электронов области n намного меньше начальной концентрации дырок в области р (n_n0 << p_p0 в случае несимметричного p-n-перехода), то инжекция носит односторонний характер (инжекция дырок из области р в n).

Область, которая инжектирует носители заряда, называют эмиттером. Область, в которую инжектируются носители заряда, называют базой. В рассматриваемом случае эмиттером является область р, а базой ¾ область n.

При наличии внешнего смещения перехода невозможно обеспечить электрическую нейтральность базы простым перераспределением зарядов базы. Для компенсации положительного заряда дырок, инжектируемых в базу, электроны поступают из внешней цепи. А т.к. заряды электронов и дырок одинаковы, то из внешней цепи в базу поступает столько электронов, сколько инжектировано дырок. Для обеспечения электрической нейтральности эмиттера во внешнюю цепь уходит такое же количество электронов. Процесс компенсации заряда дырок электронами внешней цепи называется релаксацией.

Диффузия и рекомбинация зарядов в базе

Пусть неосновные носители заряда в полупроводнике в равновесном состоянии имеют равновесные концентрации p_n0 и n_p0. Основные носители заряда распределяются т.о., чтобы компенсировать заряд неосновных (т.е. накапливаются там же, где неосновные). Процесс, связанный с движением и рекомбинацией неосновных носителей, происходит во времени и пространстве:

(2.20)

Диффузионная длина L_д ¾ это расстояние от границы p-n-перехода, на котором избыточная концентрация носителей заряда, введенных тем или иным способом в полупроводник, уменьшается в е раз.

Время жизни t пары электрон-дырка ¾ это время, за которое носители заряда пройдут расстояние, равное диффузионной длине.

Диффузионная длина и время жизни связаны между собой соотношением:

L_д = , (2.21)

где D ¾ коэффициент диффузии (плотность потоков носителей заряда при единичном градиенте их концентрации).

Время жизни

При объединении электрона с дыркой существенную роль играют центры рекомбинации, которым соответствуют разрешенные энергетические уровни, расположенные в глубине запрещенной зоны и способные захватить электроны ¾ уровни ловушек (рис.2.11.). Центрами рекомбинации могут быть дефекты кристаллической решетки, атомы примесей. При участии ловушек процесс рекомбинации происходит в две стадии: электрон из зоны проводимости вначале переходит на уровень ловушки, а затем ¾ в валентную зону или возвращается назад в зону проводимости. Такой процесс более вероятен, чем непосредственная рекомбинация. Многоступенчатость процесса рекомбинации сокращает время жизни в несколько раз.

Время жизни пары электрон-дырка зависит от концентрации примесей, температуры и наличия центров рекомбинации. Для повышения интенсивности рекомбинационных процессов (уменьшения времени жизни) в примесные полупроводники вводят в небольшом количестве золото или никель, которые представляют собой исключительно активные центры рекомбинации. В полупроводнике n-типа с ростом температуры все больше электронов попадает с уровней ловушек в зону проводимости, следовательно, время жизни растет. В полупроводнике р-типа с ростом температуры увеличивается число электронов, перешедших из валентной зоны на уровни ловушек, следовательно, время жизни растет.