1.6.      Дрейфовое и диффузионное движения носителей заряда

В отсутствие электрического поля в кристалле и одинаковой кон­центрации носителей заряда в объеме полупроводника электроны и дырки находятся в непрерывном тепловом (хаотическом) движении, распределенном по всем направлениям. Ввиду хаотического харак­тера движения носителей заряда ток в кристалле равен нулю.

Электрическое поле и неравномерность распределения концент­раций носителей заряда являются факторами, создающими упоря­доченное движение носителей заряда, т.е. обусловливающими элект­рический ток в кристалле полупроводника. Направленное движение носителей заряда под воздействием электрического поля называют дрейфом (дрейфовым движением), а под воздействием разности концентраций носителей заряда – диффузией (диф­фузионным движением). В зависимости от характера дви­жения носителей заряда различают соответственно дрейфовый и диффузионный токи в полупроводниках, а в зависимости от типа носителей заряда – электронные и дырочные составляющие этих токов.

Дрейфовый ток

Перемещение носителей заряда в кристалле под воздействием электрического поля происходит при непрерывном их столкновении с узлами кристаллической решетки и атомами примеси. Носители заряда перемещаются в кристалле с некоторой средней скоростью, пропорциональной напряженности электрического поля:

,        .                                        (1.16)

Коэффициент пропорциональности называют   подвижно­стью электронов () и дырок (). Электроны переме­щаются в направлении, противоположном действию поля, а дырки – в направлении действия поля. Этим объясняется наличие знака «минус» в формуле (1.16). Движение дырок, обусловливаемое замещением валентными электронами дефектов ковалентных связей атомов в решет­ке, является более затруднительным, чем свободных электронов. Поэтому при одинаковой напряженности электрического поля сред­няя скорость электронов выше, чем дырок, и примерно в два раза, например:

для гер­мания               = 3800 см2/(В·с),  = 1800 см2 /(В·с);

для кремния                 = 1300 см2 /(В·с),  = 500 см2/(В·с).

Плотности дрейфовых составляющих тока в кристалле определя­ются величиной заряда, переносимого носителями через единичное сечение в единицу времени:

;        ,                                 (1.17)

где п, р – концентрации электронов и дырок в объеме; qзаряд электрона.

Знак «минус» в выражении (1.17) означает, что принятому направ­лению тока соответствует противоположное направление движения электронов. С учетом выражения (1.16) соотношения для плотностей дрейфовых токов приобретают вид:

;         .                                (1.18)

Суммарная плотность тока, протекающего через полупроводник под действием электрического поля, равна:

.                                (1.19)

В чистых полупроводниках п = р, но  примерно вдвое выше . По этой причине электронная сос­тавляющая плотности тока в то же число раз больше дырочной. В примесных же полупроводниках концентрации п и р различаются на несколько порядков, в связи с чем в электронном полупроводнике дрейфовый ток обусловливается преимущественно электронами, а в дырочном – дырками.

Из формулы (1.19) следует, что плотность тока (проводимость) по­лупроводников зависит от концентрац