Ce creează un curent electric în semiconductori. Curentul electric în semiconductori

În semiconductori, aceasta este mișcarea direcționată a găurilor și a electronilor, care este influențată de un câmp electric.

În urma experimentelor, s-a observat că curentul electric din semiconductori nu este însoțit de transferul de materie - nu suferă modificări chimice. Astfel, electronii pot fi considerați purtători de curent în semiconductori.

Poate fi determinată capacitatea unui material de a forma curent electric în el.Conform acestui indicator, conductorii ocupă o poziție intermediară între conductori și dielectrici. Semiconductorii sunt diverse tipuri de minerale, unele metale, sulfuri de metal etc. Curentul electric din semiconductori apare din cauza concentrației de electroni liberi, care se pot deplasa într-o direcție într-o substanță. Comparând metale și conductori, se poate observa că există o diferență între efectul temperaturii asupra conductivității lor. O creștere a temperaturii duce la o scădere În semiconductori, indicele de conductivitate crește. Dacă temperatura din semiconductor crește, atunci mișcarea electronilor liberi va fi mai haotică. Acest lucru se datorează creșterii numărului de coliziuni. Cu toate acestea, în semiconductori, în comparație cu metale, concentrația de electroni liberi crește semnificativ. Acești factori au efectul opus asupra conductivității: cu cât mai multe ciocniri, cu atât conductivitatea este mai mică, cu atât concentrația este mai mare, cu atât este mai mare. În metale, nu există nicio relație între temperatură și concentrația de electroni liberi, astfel încât, odată cu modificarea conductivității odată cu creșterea temperaturii, posibilitatea unei mișcări ordonate a electronilor liberi scade doar. În ceea ce privește semiconductorii, efectul creșterii concentrației este mai mare. Astfel, cu cât temperatura crește mai mult, cu atât conductivitatea va fi mai mare.

Există o relație între mișcarea purtătorilor de sarcină și un astfel de concept precum curentul electric în semiconductori. În semiconductori, apariția purtătorilor de sarcină este caracterizată de diverși factori, printre care temperatura și puritatea materialului sunt deosebit de importante. Prin puritate, semiconductorii sunt împărțiți în impurități și intrinseci.

În ceea ce privește conductorul intrinsec, influența impurităților la o anumită temperatură nu poate fi considerată semnificativă pentru aceștia. Deoarece banda interzisă în semiconductori este mică, într-un semiconductor intrinsec, când temperatura atinge, banda de valență este complet umplută cu electroni. Dar banda de conducție este complet liberă: nu există conductivitate electrică în ea și funcționează ca un dielectric perfect. La alte temperaturi, există posibilitatea ca, în timpul fluctuațiilor termice, anumiți electroni să poată depăși bariera de potențial și să se găsească în banda de conducție.

efectul Thomson

Principiul efectului termoelectric Thomson: atunci când un curent electric este trecut în semiconductori de-a lungul cărora există un gradient de temperatură, pe lângă căldura Joule, se vor elibera sau absorbi cantități suplimentare de căldură în ele, în funcție de direcția în care curentul. curge.

Încălzirea insuficient uniformă a unei probe cu o structură omogenă îi afectează proprietățile, drept urmare substanța devine neomogenă. Astfel, fenomenul Thomson este un fenomen Pelte specific. Singura diferență este că nu compoziția chimică a probei este diferită, ci excentricitatea temperaturii provoacă această neomogenitate.

Semiconductorii sunt substanțe care ocupă o poziție intermediară în ceea ce privește conductivitatea electrică între buni conductori și buni izolatori (dielectrici).

Semiconductorii sunt, de asemenea, elemente chimice (germaniu Ge, siliciu Si, seleniu Se, telur Te) și compuși ai elementelor chimice (PbS, CdS etc.).

Natura purtătorilor de curent în diferiți semiconductori este diferită. În unele dintre ele, purtătorii de sarcină sunt ioni; în altele, purtătorii de sarcină sunt electronii.

Conductibilitatea intrinsecă a semiconductorilor

Există două tipuri de conducție intrinsecă în semiconductori: conducție electronică și conducție prin orificii în semiconductori.

1. Conductivitatea electronică a semiconductorilor.

Conductivitatea electronică se realizează prin mișcarea direcționată în spațiul interatomic a electronilor liberi care au părăsit învelișul de valență a atomului ca urmare a influențelor externe.

2. Conductivitatea orificiilor semiconductorilor.

Conducerea orificiilor se realizează cu mișcarea direcționată a electronilor de valență către locurile libere din legăturile perechi-electron - găuri. Electronul de valență al unui atom neutru situat în imediata apropiere a unui ion pozitiv (gaură) este atras de gaură și sare în ea. În acest caz, se formează un ion pozitiv (gaura) în locul unui atom neutru, iar un atom neutru se formează în locul unui ion pozitiv (gaura).

Într-un semiconductor ideal pur fără impurități străine, fiecare electron liber corespunde formării unei găuri, adică. numărul de electroni și găuri implicate în crearea curentului este același.

Conductivitatea la care apare același număr de purtători de sarcină (electroni și găuri) se numește conductivitate intrinsecă a semiconductorilor.

Conductivitatea intrinsecă a semiconductorilor este de obicei mică, deoarece numărul de electroni liberi este mic. Cele mai mici urme de impurități modifică radical proprietățile semiconductorilor.

Conductibilitatea electrică a semiconductorilor în prezența impurităților

Impuritățile dintr-un semiconductor sunt atomi de elemente chimice străine care nu sunt conținute în semiconductorul principal.

Conductibilitatea impurităților- aceasta este conductivitatea semiconductorilor, datorita introducerii de impuritati in retelele lor cristaline.

În unele cazuri, influența impurităților se manifestă prin faptul că mecanismul de conducere a „găurii” devine practic imposibil, iar curentul din semiconductor este realizat în principal prin mișcarea electronilor liberi. Astfel de semiconductori se numesc semiconductori electronici sau semiconductori de tip n(din cuvântul latin negativus - negativ). Principalii purtători de sarcină sunt electronii, iar nu cei principali sunt găurile. Semiconductori de tip n sunt semiconductori cu impurități donatoare.

1. Impurități donatoare.

Impuritățile donatoare sunt cele care donează cu ușurință electroni și, în consecință, cresc numărul de electroni liberi. Impuritățile donatoare furnizează electroni de conducție fără apariția aceluiași număr de găuri.

Un exemplu tipic de impuritate donor în germaniu tetravalent Ge sunt atomii de arsen pentavalent As.

În alte cazuri, mișcarea electronilor liberi devine practic imposibilă, iar curentul este efectuat numai prin mișcarea găurilor. Acești semiconductori se numesc gaura semiconductoare sau semiconductori de tip p(din cuvântul latin positivus - pozitiv). Purtătorii principali de sarcină sunt găuri, și nu principalii - electroni. . Semiconductorii de tip p sunt semiconductori cu impurități acceptoare.

Impuritățile acceptoare sunt impurități în care nu există suficienți electroni pentru a forma legături normale pereche-electron.

Un exemplu de impuritate acceptor în germaniu Ge sunt atomii de galiu trivalenți Ga

Curentul electric prin contactul semiconductorilor de tip p și joncțiunea p-n de tip n este stratul de contact a doi semiconductori de impurități de tip p și tip n; Joncțiunea p-n este o graniță care separă regiuni cu orificii (p) conducție și conducție electronică (n) în același monocristal.

joncțiune p-n directă

Dacă n-semiconductorul este conectat la polul negativ al sursei de energie, iar polul pozitiv al sursei de putere este conectat la p-semiconductor, atunci sub acțiunea unui câmp electric, electronii din n-semiconductor și găurile din p-semiconductor se vor deplasa unele spre altele către interfața cu semiconductor. Electronii, trecând granița, „umplu” găurile, curentul prin joncțiunea pn este efectuat de purtătorii principali de sarcină. Ca urmare, conductivitatea întregii probe crește. Cu o astfel de direcție directă (debit) a câmpului electric extern, grosimea stratului de barieră și rezistența acestuia scad.

În această direcție, curentul trece prin limita celor doi semiconductori.

Joncțiune pn inversă

Dacă n-semiconductorul este conectat la polul pozitiv al sursei de alimentare, iar p-semiconductorul este conectat la polul negativ al sursei de energie, atunci electronii din n-semiconductorul și găurile din p-semiconductorul sub acțiune a unui câmp electric se va deplasa de la interfață în direcții opuse, curentul prin tranziția p -n este efectuat de purtători de sarcină minori. Aceasta duce la o îngroșare a stratului de barieră și la o creștere a rezistenței acestuia. Ca urmare, conductivitatea probei se dovedește a fi nesemnificativă, iar rezistența este mare.

Se formează un așa-numit strat de barieră. Cu această direcție a câmpului extern, curentul electric practic nu trece prin contactul p- și n-conductori.

Astfel, tranziția electron-gaură are o conducere unilaterală.

Dependența curentului de caracteristica tensiune - volt - curent a joncțiunii p-n este prezentată în figură (caracteristica volt - curent a joncțiunii directe p-n este prezentată printr-o linie continuă, este prezentată caracteristica volt - amper a joncțiunii inverse p-n printr-o linie punctată).

Semiconductori:

Dioda semiconductoare - pentru redresarea curentului alternativ, folosește o joncțiune p - n - cu diferite rezistențe: în direcția înainte, rezistența joncțiunii p - n - este mult mai mică decât în direcția inversă.

Fotorezistoare - pentru înregistrarea și măsurarea fluxurilor slabe de lumină. Cu ajutorul lor, determinați calitatea suprafețelor, controlați dimensiunile produselor.

Termistori - pentru măsurarea temperaturii de la distanță, alarme de incendiu.

Semiconductor- aceasta este o substanta in care rezistivitatea poate varia intr-un domeniu larg si scade foarte repede odata cu cresterea temperaturii, ceea ce inseamna ca conductivitatea electrica (1/R) creste.
- observat in siliciu, germaniu, seleniu si in unii compusi.

Mecanism de conducere semiconductori

Cristalele semiconductoare au o rețea cristalină atomică, unde electronii exteriori sunt legați de atomii vecini prin legături covalente.

La temperaturi scăzute, semiconductorii puri nu au electroni liberi și se comportă ca un dielectric.

Semiconductorii sunt puri (fără impurități)

Dacă semiconductorul este pur (fără impurități), atunci are proprii conductivitate, care este mică.

Există două tipuri de conducție intrinsecă:

1 electronic(conductivitate "n" - tip)

La temperaturi scăzute în semiconductori, toți electronii sunt asociați cu nuclee și rezistența este mare; pe măsură ce temperatura crește, energia cinetică a particulelor crește, legăturile se rup și apar electroni liberi - rezistența scade.
Electronii liberi se deplasează opus vectorului intensității câmpului electric.
Conductivitatea electronică a semiconductorilor se datorează prezenței electronilor liberi.

2. perforat(tip de conductivitate „p”)

Odată cu creșterea temperaturii, legăturile covalente dintre atomi sunt distruse, realizate de electroni de valență, și se formează locuri cu un electron lipsă - o „găură”.
Se poate mișca prin tot cristalul, pentru că. locul său poate fi înlocuit cu electroni de valență. Mutarea unei „găuri” este echivalentă cu mutarea unei sarcini pozitive.
Gaura se deplasează în direcția vectorului intensității câmpului electric.

Pe lângă încălzire, ruperea legăturilor covalente și apariția conductivității intrinseci a semiconductorilor pot fi cauzate de iluminare (fotoconductivitate) și de acțiunea câmpurilor electrice puternice.

Conductivitatea totală a unui semiconductor pur este suma conductivităților tipurilor „p” și „n”
și se numește conductivitate electron-gaură.

Semiconductori în prezența impurităților

Ei au propriu + impuritate conductivitate
Prezența impurităților crește foarte mult conductivitatea.
Când se modifică concentrația de impurități, numărul de purtători ai curentului electric - electroni și găuri - se modifică.
Capacitatea de a controla curentul stă la baza utilizării pe scară largă a semiconductorilor.

Exista:

1)donator impurități (degajare)

Sunt furnizori suplimentari de electroni pentru cristalele semiconductoare, donează cu ușurință electroni și măresc numărul de electroni liberi dintr-un semiconductor.
Aceștia sunt conductori „n” - tip, adică semiconductori cu impurități donatoare, unde purtătorul de sarcină principal sunt electronii, iar minoritatea sunt găurile.
Un astfel de semiconductor are conductivitate electronică a impurităților.

De exemplu, arsenic.

2. acceptor impurități (gazdă)

Ei creează „găuri” luând electroni în ei înșiși.
Aceștia sunt semiconductori „p” - tip, acestea. semiconductori cu impurități acceptoare, unde purtătorul de sarcină principal sunt găurile, iar minoritatea sunt electronii.
Un astfel de semiconductor are conductivitate a impurităților.

De exemplu, indiul.

Proprietățile electrice ale joncțiunii „p-n”.

tranziție „p-n”.(sau tranziția electron-gaură) - aria de contact a doi semiconductori, unde conductivitatea se schimbă de la electronic la gaură (sau invers).

Într-un cristal semiconductor, astfel de regiuni pot fi create prin introducerea de impurități. În zona de contact a doi semiconductori cu conductivități diferite, va avea loc difuzia reciprocă. electroni și găuri și se formează un strat electric de blocare Câmpul electric al stratului de blocare împiedică trecerea ulterioară a electronilor și găurilor prin graniță. Stratul de barieră are o rezistență crescută în comparație cu alte zone ale semiconductorului.

Câmpul electric extern afectează rezistența stratului de barieră.
Cu direcția directă (de transmisie) a câmpului electric extern, curentul electric trece prin limita a doi semiconductori.
pentru că electronii și găurile se deplasează unul spre celălalt la interfață, apoi electronii, traversând interfața, umplu găurile. Grosimea stratului de barieră și rezistența acestuia sunt în continuă scădere.

Tranziție p-n mod de acces:

Cu direcția de blocare (inversă) a câmpului electric extern, curentul electric nu va trece prin zona de contact a celor doi semiconductori.
pentru că electronii și găurile se deplasează de la graniță în direcții opuse, apoi stratul de blocare se îngroașă, rezistența acestuia crește.

Modul de blocare p-n tranziție.

>>Fizică: curent electric în semiconductori

Care este principala diferență dintre semiconductori și conductori? Ce caracteristici structurale ale semiconductorilor le-au oferit acces la toate dispozitivele radio, televizoarele și computerele?
Diferența dintre conductori și semiconductori este evidentă în special atunci când se analizează dependența conductivității lor electrice de temperatură. Studiile arată că pentru o serie de elemente (siliciu, germaniu, seleniu etc.) și compuși (PbS, CdS, GaAs etc.), rezistivitatea nu crește odată cu creșterea temperaturii, ca în metale ( fig.16.3), dar, dimpotrivă, scade extrem de brusc ( fig.16.4). Astfel de substanțe sunt numite semiconductori.

Din graficul prezentat în figură, se poate observa că la temperaturi apropiate de zero absolut, rezistivitatea semiconductorilor este foarte mare. Aceasta înseamnă că la temperaturi scăzute semiconductorul se comportă ca un izolator. Pe măsură ce temperatura crește, rezistivitatea acesteia scade rapid.
Structura semiconductorilor. Pentru a porni receptorul cu tranzistor, nu trebuie să știți nimic. Dar pentru a-l crea, trebuia să știi multe și să ai un talent extraordinar. A înțelege în termeni generali cum funcționează un tranzistor nu este atât de dificil. Mai întâi trebuie să vă familiarizați cu mecanismul de conducere în semiconductori. Și pentru asta trebuie să aprofundezi natura conexiunilorținând atomii unui cristal semiconductor unul lângă altul.
De exemplu, luați în considerare un cristal de siliciu.
Siliciul este un element tetravalent. Aceasta înseamnă că în învelișul exterior al atomului său există patru electroni legați relativ slab de nucleu. Numărul celor mai apropiați vecini ai fiecărui atom de siliciu este, de asemenea, de patru. O diagramă a structurii unui cristal de siliciu este prezentată în Figura 16.5.

Interacțiunea unei perechi de atomi vecini se realizează folosind o legătură pereche-electron, numită legătură covalentă. La formarea acestei legături participă câte un electron de valență de la fiecare atom, care sunt separați de atomul căruia îi aparțin (colectat de cristal) și, în timpul mișcării lor, își petrec cea mai mare parte a timpului în spațiul dintre atomii vecini. Sarcina lor negativă menține ionii pozitivi de siliciu unul lângă celălalt.
Nu trebuie să credem că perechea colectivizată de electroni aparține doar a doi atomi. Fiecare atom formează patru legături cu vecinii săi și orice electron de valență se poate mișca de-a lungul unuia dintre ei. După ce a ajuns la atomul vecin, poate trece la următorul și apoi mai departe de-a lungul întregului cristal. Electronii de valență aparțin întregului cristal.
Legăturile perechi-electron dintr-un cristal de siliciu sunt suficient de puternice și nu se rupe la temperaturi scăzute. Prin urmare, siliciul nu conduce electricitatea la temperaturi scăzute. Electronii de valență implicați în legarea atomilor sunt, parcă, o „soluție de cimentare” care ține rețeaua cristalină, iar un câmp electric extern nu are un efect vizibil asupra mișcării lor. Un cristal de germaniu are o structură similară.
conductivitate electronică. Când siliciul este încălzit, energia cinetică a particulelor crește și legăturile individuale se rup. Unii electroni își părăsesc „căile bătute” și devin liberi, ca electronii dintr-un metal. Într-un câmp electric, se deplasează între nodurile rețelei, creând un curent electric ( fig.16.6).

Conductivitatea semiconductorilor datorită prezenței electronilor liberi în ele se numește conductivitate electronică. Pe măsură ce temperatura crește, crește numărul de legături rupte și, prin urmare, numărul de electroni liberi. Când este încălzit de la 300 la 700 K, numărul de purtători de încărcare liberă crește de la 10 17 la 10 24 1/m 3 . Acest lucru duce la o scădere a rezistenței.
conducerea orificiului. Când o legătură este ruptă între atomii semiconductori, se formează un loc vacant cu un electron lipsă. El este sunat gaură. Gaura are o sarcină pozitivă în exces în comparație cu restul legăturilor neîntrerupte (vezi Fig. 16.6).
Poziția găurii în cristal nu este fixă. Următorul proces are loc continuu. Unul dintre electronii care asigură legătura dintre atomi sare în locul găurii formate și restabilește legătura pereche-electron aici, iar de unde a sărit acest electron, se formează o nouă gaură. Astfel, gaura se poate deplasa prin tot cristalul.
Dacă intensitatea câmpului electric din probă este zero, atunci mișcarea găurilor, echivalentă cu mișcarea sarcinilor pozitive, are loc aleatoriu și, prin urmare, nu creează un curent electric. În prezența unui câmp electric, are loc o mișcare ordonată a găurilor și, astfel, la curentul electric al electronilor liberi se adaugă un curent electric asociat mișcării găurilor. Direcția de mișcare a găurilor este opusă direcției de mișcare a electronilor ( fig.16.7).

În absența unui câmp extern, există o gaură (+) pentru un electron liber (-). Când se aplică un câmp, un electron liber este deplasat față de intensitatea câmpului. Unul dintre electronii legați se mișcă și el în această direcție. Se pare că gaura se mișcă în direcția câmpului.
Deci, în semiconductori există două tipuri de purtători de sarcină: electroni și găuri. Prin urmare, semiconductorii au nu numai electronice, ci și conductivitatea găurii.
Am luat în considerare mecanismul de conducere în semiconductori puri. Conductibilitatea în aceste condiții se numește propria conductivitate semiconductori.
Conductivitatea semiconductorilor puri (conductivitatea intrinsecă) este realizată prin mișcarea electronilor liberi (conducție electronică) și mișcarea electronilor legați către locurile libere ale legăturilor perechi-electron (conducție gaură).

???
1. Ce legătură se numește covalentă?
2. Care este diferența dintre dependența rezistenței semiconductorilor și a metalelor de temperatură?
3. Ce purtători de încărcare mobilă există într-un semiconductor pur?
4. Ce se întâmplă când un electron întâlnește o gaură?

G.Ya.Myakishev, B.B.Bukhovtsev, N.N.Sotsky, Fizica clasa a 10-a

Conținutul lecției rezumatul lecției suport cadru prezentarea lecției metode accelerative tehnologii interactive Practică sarcini și exerciții ateliere de autoexaminare, instruiri, cazuri, quest-uri teme pentru acasă întrebări discuții întrebări retorice de la elevi Ilustrații audio, clipuri video și multimedia fotografii, imagini grafice, tabele, scheme umor, anecdote, glume, pilde cu benzi desenate, proverbe, cuvinte încrucișate, citate Suplimente rezumate articole jetoane pentru curioase cheat sheets manuale de bază și glosar suplimentar de termeni altele Îmbunătățirea manualelor și lecțiilorcorectarea erorilor din manual actualizarea unui fragment în manual elemente de inovare în lecție înlocuirea cunoștințelor învechite cu altele noi Doar pentru profesori lecții perfecte plan calendaristic pentru anul recomandări metodologice ale programului de discuții Lecții integrate

Dacă aveți corecții sau sugestii pentru această lecție,

Transport de purtători în semiconductori

Introducere

Purtătorii de curent în semiconductori sunt electronii și găurile. Purtătorii de curent se mișcă în câmpul periodic al atomilor de cristal ca și cum ar fi particule libere. Efectul potențialului periodic afectează doar masa purtătoare. Adică, sub acțiunea potențialului periodic, masa purtătorului se modifică. În acest sens, fizica stării solide introduce conceptul de masă efectivă a unui electron și a unei găuri. Energia medie a mișcării termice a electronilor și a găurilor este egală cu kT/2 pentru fiecare grad de libertate. Viteza termică a unui electron și a unei găuri la temperatura camerei este de aproximativ 10 7 cm/s.

Dacă un câmp electric este aplicat unui semiconductor, atunci acest câmp va cauza deriva purtătorilor de curent. În acest caz, viteza purtătorului va crește mai întâi odată cu creșterea câmpului, va atinge valoarea medie a vitezei și apoi va înceta să se schimbe, deoarece purtătorii sunt împrăștiați. Imprăștirea este cauzată de defecte, impurități și emisie sau absorbție de fononi. Principalul motiv pentru împrăștierea purtătorului este impuritățile încărcate și vibrațiile termice ale atomilor rețelei (absorbția/emisia fononilor). Interacțiunea cu ei duce la o schimbare bruscă a vitezei transportatorilor și a direcției de mișcare a acestora. Modificarea direcției vitezei purtătorului este aleatorie. Un mecanism suplimentar pentru împrăștierea purtătorilor de curent este împrăștierea purtătorilor pe suprafața unui semiconductor.

În prezența unui câmp electric extern, natura aleatorie a mișcării purtătorilor într-un semiconductor este suprapusă de mișcarea dirijată a purtătorilor sub acțiunea câmpului în intervalele dintre ciocniri. Și chiar și în ciuda faptului că viteza de mișcare aleatorie a purtătorilor poate depăși de multe ori viteza de mișcare direcționată a purtătorilor sub acțiunea unui câmp electric, componenta aleatorie a mișcării purtătorilor poate fi neglijată, deoarece cu mișcarea aleatorie rezultatul rezultat debitul purtătorului este zero. Accelerația purtătorilor sub acțiunea unui câmp extern respectă legile dinamicii lui Newton. Imprăștirea duce la o schimbare bruscă a direcției de mișcare și a mărimii vitezei, dar după împrăștiere, mișcarea accelerată a particulei sub acțiunea câmpului se reia.

Efectul net al coliziunilor este că particulele nu accelerează, dar particulele ating rapid o viteză constantă de mișcare. Acest lucru este echivalent cu introducerea unei componente de decelerare în ecuația de mișcare a unei particule caracterizată printr-o constantă de timp t. În această perioadă de timp, particula își pierde avânt mv determinat de viteza medie v. Pentru o particulă care are o accelerație constantă între ciocniri, această constantă de timp este egală cu timpul dintre două ciocniri succesive. Să luăm în considerare mai detaliat mecanismele transportului purtătorului de curent în semiconductori.

în derivăactual(Curentul de deriva)

Mișcarea în derivă a purtătorilor într-un semiconductor sub acțiunea unui câmp electric poate fi ilustrată în Figura XXX. Câmpul indică transportatorilor viteza v.

Smochin. Mișcarea transportatorilor sub acțiunea câmpului .

Dacă presupunem că toți purtătorii dintr-un semiconductor se mișcă cu aceeași viteză v, atunci curentul poate fi exprimat ca raportul dintre sarcina totală transferată între electrozi și timp t r trecerea acestei sarcini de la un electrod la altul sau:

Unde L – distanța dintre electrozi.

Densitatea de curent poate fi acum exprimată în termeni de concentrație a purtătorilor de curent nîn semiconductor:

Unde DAR este aria secțiunii transversale a semiconductorului.

Mobilitate

Natura mișcării purtătorilor de curent într-un semiconductor în absența unui câmp și sub acțiunea unui câmp electric extern este prezentată în Figura XXX. După cum sa menționat deja, viteza termică a electronilor este de ordinul a 10 7 cm/s și este mult mai mare decât viteza de derive a electronilor.

Smochin. Natura aleatorie a mișcării purtătorilor de curent într-un semiconductor în absența și prezența unui câmp extern.

Luați în considerare mișcarea purtătorilor numai sub acțiunea unui câmp electric. Conform legii lui Newton:

unde forța include două componente - forța electrostatică și minus forța care provoacă pierderea impulsului în timpul împrăștierii, împărțită la timpul dintre ciocniri:

Echivalând aceste expresii și folosind expresia pentru viteza medie, obținem:

Să luăm în considerare doar cazul staționar, când particula a accelerat deja și a atins viteza medie constantă. În această aproximare, viteza este proporțională cu intensitatea câmpului electric. Coeficientul de proporționalitate dintre ultimele valori este definit ca mobilitatea:

Mobilitatea este invers proporțională cu masa purtătorului și direct proporțională cu calea liberă medie.

Densitatea curentului de deriva poate fi scrisă în funcție de mobilitate:

După cum sa menționat deja, în semiconductori, masa purtătorilor nu este egală cu masa unui electron în vid, m iar formula pentru mobilitate ar trebui să utilizeze masa efectivă, m * :

Difuzia purtătorilor de curent în semiconductori.

Curentul de difuzie

Dacă nu există un câmp electric extern în semiconductor, atunci există o mișcare aleatorie a purtătorilor de curent - electroni și găuri sub acțiunea energiei termice. Această mișcare aleatorie nu duce la mișcarea direcțională a purtătorilor și la formarea curentului. Întotdeauna în locul cărăuşului care a părăsit orice loc va veni altul în locul lui. Astfel, se menține o densitate uniformă a purtătorului pe tot volumul semiconductorului.

Dar situația se schimbă dacă purtătorii sunt distribuiti neuniform pe volum, adică. există un gradient de concentrație. În acest caz, sub influența gradientului de concentrație, are loc o mișcare direcționată a purtătorilor - difuzie din regiunea în care concentrația este mai mare către regiunea cu o concentrație scăzută. Mișcarea direcțională a purtătorilor încărcați sub acțiunea difuziei creează un curent de difuzie. Să luăm în considerare acest efect mai detaliat.

Obținem o relație pentru curentul de difuzie. Vom pleca de la faptul că mișcarea direcțională a purtătorilor sub acțiunea gradientului de concentrație are loc ca urmare a mișcării termice (la o temperatură
după Kelvin, pentru fiecare grad de libertate al unei particule, există o energie
), adică difuzia este absentă la temperatură zero (deriva purtătorului este posibilă și la 0K).

În ciuda faptului că natura aleatorie a mișcării purtătorilor sub acțiunea căldurii necesită o abordare statistică, derivarea unei formule pentru curentul de difuzie se va baza pe utilizarea valorilor medii care caracterizează procesele. Rezultatul este același.

Să introducem valorile medii - viteza termică medie v al, timpul mediu dintre coliziuni,  , și calea liberă medie, l. Viteza termică medie poate fi direcționată atât în direcție pozitivă, cât și în direcție negativă. Aceste cantități sunt interconectate prin relație

Luați în considerare situația cu o distribuție neomogenă a electronilor n(X) (vezi figura XXX).

Smochin. unu Profilul densității purtătorului utilizat pentru a deriva expresia difuziei curente

Luați în considerare fluxul de electroni printr-un plan cu coordonate X = 0. Transportatorii vin în acest plan ca din partea stângă a coordonatei X = - l, iar la dreapta din partea coordonatei X = l. Fluxul de electroni de la stânga la dreapta este

unde coeficientul ½ înseamnă că jumătate dintre electroni se află în planul cu coordonatele X = - l se deplasează la stânga, iar cealaltă jumătate se deplasează la dreapta. În mod similar, fluxul de electroni prin X = 0 venind din partea dreaptă X = + l va fi egal cu:

Fluxul total de electroni care trec prin plan X = 0 de la stânga la dreapta, va fi:

Presupunând că calea liberă medie a electronilor este suficient de mică, putem nota diferența de concentrații de electroni la dreapta și la stânga coordonatei X = 0 prin raportul dintre diferența de concentrație și distanța dintre planuri, i.e. prin derivată:

Densitatea curentului electronic va fi egală cu:

De obicei, produsul dintre viteza termică și calea liberă medie este înlocuit cu un singur factor, numit coeficient de difuzie a electronilor, D n .

Relații similare pot fi scrise și pentru curentul de difuzie în găuri:

Trebuie reținut doar că sarcina găurilor este pozitivă.

Există o relație între coeficientul de difuzie și mobilitate. Deși la prima vedere poate părea că acești coeficienți nu ar trebui să fie legați, deoarece difuzia purtătorilor se datorează mișcării termice, iar deriva purtătorilor se datorează unui câmp electric extern. Cu toate acestea, unul dintre principalii parametri, timpul dintre coliziuni, nu ar trebui să depindă de cauza care a determinat deplasarea transportatorilor.

Utilizăm definiția vitezei termice ca:

iar concluziile termodinamicii că pentru fiecare grad de libertate al mișcării electronilor există energie termică kT/2, egal cu cinetica:

Din aceste relații se poate obține produsul dintre viteza termică și drumul liber mediu, exprimat în termeni de mobilitatea purtătorului:

Dar am definit deja produsul dintre viteza termică și calea liberă medie ca coeficient de difuzie. Apoi ultima relație pentru electroni și găuri poate fi scrisă în următoarea formă: