Напівпровідникові прилади. Електропровідність напівпровідників. Домішкова провідність, страница 6

Щільність сумарного струму дифузії:

Щільність струму в напівпровіднику складається з дифузійної та дрейфової складових:

З урахуванням механізму перерозподілу носіїв заряду можна записати рівняння безперервності:

;

З цих рівнянь випливає, що зміна концентрацій зарядів у напівпровіднику відбувається при їх рекомбінації (перша складова), переміщенні внаслідок дифузії (друга складова) та дрейфу (третя та четверта складова).

1.2. Електричний струм в напівпровідниках

При відсутності електричного поля і при рівномірному розподіленні концентрацій носіїв по об’єму напівпровідника електрони і дірки знаходяться в безперервному хаотичному русі, і струм в кристалі відсутній.

Впорядкований рух носіїв з’являється, коли на структуру напівпровідника діє електричне поле або має місце нерівномірність розподілення концентрацій дірок і електронів. Якщо носії заряду переміщуються цілеспрямовано під дією електричного поля, то такий їх рух називається дрейфовим; якщо ж під дією різниці концентрації – то дифузійний. Відповідно будуть називатись і струми.

При наявності зовнішнього електричного поля з напруженістю Е щільність дрейфового струму визначається   формулою:

де n, p – відповідно концентрації електронів і дірок в об’ємі напівпровідника.

В цілому m_n > m_p і величини цих параметрів зменшуються з ростом температури (m Т^-3/2).

Порівнюючи формулу (2.12) з законом Ома J = sE (s - питома провідність матеріалу), можемо записати:

Формула (2.13) повністю характеризує питому електропровідність напівпровідників – як чистих, так і домішкових. В той же час, враховуючи, що в вироджених домішкових напівпровідниках концентрація основних напівпровідників набагато перевищує концентрацію неосновних, маємо:

·  для напівпровідників n-типу:

;

·  для напівпровідників р-типу:

.

З ростом температури концентрація неосновних носіїв значно зростає, тому останні формули мають обмежене використання.                   

Дифузійний струм обумовлений різницею концентрації носіїв в поряд розміщених шарах напівпровідника. Носії заряду переміщуються з шару з більшою концентрацією до шару з меншою концентрацією. Для підтримки безперервного струму дифузії  необхідно постійно підтримувати різницю концентрацій.

Щільність струму дифузії пропорційна градієнту концентраціій носіїв кожного типу і визначається формулою (2.9), а повний струм – формулою (2.11).

1.3. Використання домішкових напівпровідників

Залежність концентрації вільних носіїв заряду домішкового напівпровідника від широкої гами зовнішніх факторів обумовили широке його використання в різноманітних резисторах, в яких має місце однаковий рівень концентрації домішкових елементів по всьому об’єму напівпровідника.

Тип домішкових елементів, їх концентрація, технологія виготовлення і, накінець, конструкція резистора забезпечують одержання різних вольт-амперних характеристик і їх залежностей від керуючих параметрів. На рис. 1.5 приведені основні типи напівпровідникових резисторів та їх умовні позначення в схемах.

Рис. 1.5

Лінійні резистори мають параметри, які мало залежать від зовнішніх факторів і щільності струму, що протікає через нього. Основними їх параметрами являються опір і потужність. Напівпровідникові резистори находять широке використання в інтегральних схемах.

Рис. 1.6

Варистори – напівпровідникові резистори, опір яких залежить від прикладаної напруги. ВАХ варистора нелінійна і має вигляд, приведений на рис. 1.6. Нелінійність характеристик обумовлена наявністю локального перегріву в місцях контактів між між кристалами карбіду кремнію, внаслідок чого опір резистора знижуєтья. Основними параметрами являються коефіцієнт нелінійності і  напруга порогу з якою починають проявлятись нелінійні властивості.