Дрейфовый и диффузионный токи в полупроводниках
Содержание
Диффузией называют процесс проникновения молекул одного вещества в межмолекулярное пространство другого. Микроскопические частицы перемещаются из той зоны, где их концентрация более высокая, в зону, где их намного меньше. Этот процесс продолжается до достижения равновесия. Если частицы несут в себе заряд, тогда диффузия приводит к появлению диффузного тока.
Что собой представляют диффузионные и дрейфовые токи
Диффузный или диффузионный ток — это передвижение заряженных частиц, обусловленных диффузией. А любое передвижение заряда приводит к появлению электрического тока. Диффузионный электрический ток всегда идет из области, где частиц наибольшее количество, к области, где частиц меньше. То есть, система стремится к равновесию.
Под носителями заряда понимаются электроны и электронные дырки. Электрон — это частица, несущая отрицательный заряд. Электронная дырка — это место, где нет электрона, несмотря на то, что он бы мог там быть.
Скорость, с которой движется ток диффузии, называют скоростью потока. Она равна степени концентрации частиц. Следовательно, формула имеет следующий вид:
Коэффициенты диффузии находят по формуле Альберта Эйнштейна:
Из формул можно сделать вывод, что чем больше коэффициент диффузии, тем более подвижны заряженные частицы.
Дрейфовый ток — это направленное движение заряженных частиц, возникающее под влиянием внешних электрических полей. Внешнее поле, постоянно выделяя энергию, оказывает воздействие на ток. Последний смещается или «дрейфует», что и обуславливает его название «ток дрейфа». В какую сторону сместятся, частицы зависит от их заряда и направления поля. Формула дрейфовых токов следующая:
Следовательно, как будут двигаться частицы с зарядом, определяют дрейфовый и диффузионный токи в полупроводниках. Диффузионный ток электронов и электронных дырок возникает в результате неравномерности распределения этих частиц, а дрейфовый обусловлен воздействием внешнего поля на них.
Токи в полупроводниках
Полупроводники — это материалы, занимающие место между проводниками и диэлектриками по способности проводить ток. В них также могут протекать диффузионные и дрейфовые токи. Примеры материалов-полупроводников: германий, селен, кремний, теллур, мышьяк. Их способность проводить ток зависит от многих факторов, среди которых давление, свет, температура, радиация и др. Причем их влияние намного сильнее, чем на другие материалы. Причина — особенности строения кристаллической решетки. Благодаря этим свойствам из полупроводников можно делать различные приборы. Без них не получилось бы создать солнечные батареи, камеры, датчики.
В полупроводниковых элементах, используемых в электрических цепях, как правило, присутствует электронно-дырочный p-n переход. Так называют область на стыке двух полупроводниковых материалов, имеющих разные типы проводимости. P-n-переход невозможно создать за счет соприкосновения пластин n- и р-типа, поскольку в месте соединения не удастся получить общую кристаллическую решетку без дефектов. Чтобы сформировать p-n переход, используют технологию, основанную на введении в исходный материал примеси с противоположным типом проводимости. P-n переход имеет толщину, измеряемую микрометрами, и даже долями микрометра.
В n-области концентрация электронов больше, чем в р-области, поэтому электроны начинают перемещаться в р-область. В результате возникает диффузионный ток электронов, а в граничном слое появляется электрическое поле. Оно тормозит движение основных носителей и ускоряет движение неосновных через р-область.
Такая же картина наблюдается и в отношении электронных дырок. Они из р-области перемещаются в n-область, поскольку там их концентрация ниже. В результате возникает диффузионный ток дырок и дрейфовый ток электронов.
Следовательно, электрическое поле, образованное в p-n переходе, способствует возникновению дрейфового тока неосновных носителей заряда. Этот ток имеет направление, противоположное диффузионному току основных носителей. Если полупроводник не находится под внешним напряжением, то значение результирующего тока через p-n переход будет нулевым.
При наличии внешнего напряжения общий ток в проводнике включает четыре компоненты:
Если внешнее поле нарушило равновесие электронно-дырочного перехода, вещество начинает пропускать через себя электричество. Каким будет ток, и в каком количестве он будет протекать, обуславливает полярность напряжения.
Что такое p-n переход
Как мы знаем, все в мире состоит из молекул, а те в свою очередь, из атомов. У последних есть нейтроны, электроны и протоны. Из протонов и нейтронов состоит ядро, в котором этих частиц равное число. Вокруг ядра расположены орбиты электронов. Все части вместе соединяют различные по мощности силы. Внешняя электронная орбита называется валентным уровнем. Валентные уровни соединяют атомы друг с другом. Эту связь называют ковалентной.
У полупроводников на валентном уровне расположено по 4 электрона. Поэтому их атомы могут образовывать парную связь. Например, есть атом кремния, у которого на валентном уровне 4 электрона. И есть другой идентичный атом. 4 электрона первого соединятся с 4 электронами второго. То есть, у каждого атома есть по 4 «напарника» с каждой стороны. Из этого получается очень устойчивая кристаллическая решетка.
Атомы полупроводников, если в составе нет примесей, не имеют заряда. При обычной температуре из-за маленького количества электронов пропускная способность материалов довольно низкая. Но если взять не чистый полупроводник, а с примесями, то его пропускная способность может существенно увеличиться. Например, при смешении кремния и мышьяка 1 атом имеет 5 электронов, 4 из которых идут на создание ковалентной связи, а 5-ый — свободный.
Полупроводник n-типа — это полупроводник с примесью, который содержит свободный электрон. Основными носителями заряда у проводника, имеющего n-переход, выступают свободные электроны, а неосновными — электронные дыры. При подаче тока свободные электроны притягиваются к свободным протонам. А опустевшее место старого отрицательного заряда занимает новый.
Если добавить к полупроводнику материал, имеющий 3 электрона, тогда вещества соединятся тремя частицами, а на месте пустующей четвертой будет электрическая дырка. Это не ион и не нейтрон. Атом, не состоящий в связи с другим, будет притягивать к себе свободные электроны, создавая электрический ток.
Полупроводник pтипа — это полупроводник с примесью, у которого один из 4 электронов не имеет ковалентной связи. Его основные заряды — электрические дырки, а неосновные — электроны. Примесь, которая содержится в полупроводниках р-типа, называют акцепторной. Если через p-проводники пустить ток, дырки будут тянуться к электронам, поступающим из источника.
Диффузия — основа электролиза
На явлении диффузии основывается технология электролиза.
Диффузионный ток в электролите возникает при наличии в растворе (веществе) зон с разной концентрацией ионов. Скорость процесса зависит от градиента концентрации. При определенном значении потенциала количество частиц, вступивших в электрохимическую реакцию и перемещающихся из раствора к электроду, становится равным. Такое состояние называют концентрационной полярностью. Ток, сопутствующий поляризации, это предельный диффузионный ток. Если соблюдаются условия, при которых ток зависит лишь от скорости доставки ионов к электроду, предельный ток будет прямо пропорционален концентрации восстанавливающихся ионов.
Загрузка...
