Инжекция носителей заряда

Инже́кция носи́телей заря́да — проникновение неравновесных носителей заряда в полупроводник под действием внешнего электрического поля или облучения.

Физические основы

Изучение контактных явлений делится на исследование равновесных случаев (контакты «металл-металл», «металл-полупроводник», «полупроводник-полупроводник», в результате которых устанавливается динамическое равновесие в обмене носителями обоих знаков между контактирующими веществами), и неравновесных случаев, когда контакты подвергаются внешним воздействиям (внешнее электрическое поле, облучение электромагнитными волнами (светом), и др.).

Инжекция носителей заряда возникает из-за внешнего воздействия на контакт, вследствие чего носители заряда, участвующие в инжекции, являются неравновесными.

При контакте веществ с разной работой выхода в области контакта возникает энергетический барьер и внутреннее контактное электрическое поле. Величина и направление его зависят от соотношения работ выхода и, в случае полупроводников, их типа проводимости. В термодинамически стабилизированном полупроводнике образование свободных носителей заряда происходит за счёт перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости вследствие термического возбуждения. Концентрация таких носителей заряда в полупроводнике называется равновесной.

При внешних воздействиях на контакт (например, электрического поля, ударной ионизации, облучения фотонами) начинает происходить процесс проникновения носителей заряда из одного контактирующего вещества в другое. Такие носители заряда называются неравновесными, а процесс проникновения — инжекцией.

Полная концентрация носителей заряда в случае инжекции описывается уравнениями:

$n=n_{0}+\bigtriangleup n_{i}$,

$p=p_{0}+\bigtriangleup p_{i}$,

где $n_{0}$ и $p_{0}$ — равновесные концентрации электронов и дырок, а $\bigtriangleup n_{i}$ и $\bigtriangleup p_{i}$ — концентрации инжектированных неравновесных электронов и дырок.

Неравновесные носители заряда, электроны и дырки, при взаимодействии друг с другом исчезают, этот процесс называется рекомбинацией носителей заряда. При прекращении внешнего воздействия в результате рекомбинации система возвращается к равновесному состоянию при данной температуре.

Если внешнее воздействие производилось фотонами (светом), то для генерации неравновесных носителей заряда необходимо, чтобы энергия фотонов превышала ширину запрещённой зоны хотя бы одного контактирующего полупроводника.

При контакте полупроводников разного типа проводимости различают инжекцию основных и неосновных носителей заряда. Инжекция возникает в случае, когда внешнее электрическое поле направлено противоположно внутреннему электрическому полю, установившемуся в области контакта полупроводников в равновесном состоянии. Инжекция основных носителей заряда создаёт нескомпенсированный пространственный заряд, ограничивающий их проникновение вглубь полупроводника, а инжекция неосновных носителей ограничивается рекомбинацией их с основными носителями и захватами на примесных центрах. Как правило, инжекция неосновных носителей заряда происходит на запирающих $p-n$-переходах или гетеропереходах.

Суммарный ток через $p-n$-переход с учётом инжекции подчиняется зависимости:

$I_{total}=I_{0}{\Biggl (}e^{\frac {eU}{kT}}-1{\Biggl )}$,

где $I_{0}\thicksim \exp {\Biggl (}-{\frac {\bigtriangleup E_{g}}{kT}}{\Biggl )}$ — тепловой ток.

Количественным параметром инжекции служит эффективность или коэффициент инжекции, равный отношению величин инжектированного тока к полном току, протекающему через контакт.

Применение

Инжекция носителей заряда используется при работе множества полупроводниковых приборов: диодов, биполярных транзисторов, тиристоров, инжекционно-пролётных диодов, светодиодов и полупроводниковых инжекционных лазеров. В гетеропереходах в определённых условиях наблюдается суперинжекция, при которой концентрация инжектированных носителей может превышать концентрацию легирующих примесей в области, где происходит инжекция. Это используется в работе полупроводниковых инжекционных лазеров.

Литература

• Стильбанс Л. С. Физика полупроводников. — Москва : Советское радио, 1967.
• Цидильковский И. М. Электроны и дырки в полупроводниках. Энергетический спектр и динамика. — Москва : «Наука», 1972.
• Киреев П. С. Физика полупроводников. — Москва : «Высшая школа», 1975.
• Бонч-Бруевич В. Л., Калашников С. Г. Физика полупроводников. — Москва : Наука, 1990.
• Гуртов В. А. Твердотельная электроника. — Москва : «ТЕХНОСФЕРА», 2008.
• Ансельм А. И. Введение в теорию полупроводников : учебное пособие для вузов. — 3-е изд., стер. — СПб. : Лань, 2008.
• Шалимова К. В. Физика полупроводников. — СПб. : «Лань», 2010.
• Kittel Charles Introduction to solid state physics. — Hoboken, NJ: Wiley, 2005. — ISBN 047141526X.
• Мотт Н., Дэвис Э. Электронные процессы в некристаллических веществах. — 2-е изд., перераб. и доп. — Москва: Мир, 1982. — 386 с.рус.

Ссылки

• Инжекция носителей заряда

Одним из источников, использованных при создании данной статьи, является статья из википроекта «Рувики» («ruwiki.ru») под названием «Инжекция носителей заряда», расположенная по адресу: — «https://ru.ruwiki.ru/wiki/Инжекция_носителей_заряда» Материал указанной статьи полностью или частично использован в Циклопедии по лицензии CC-BY-SA 4.0 и более поздних версий. Всем участникам Рувики предлагается прочитать материал «Почему Циклопедия?».