1.2.2 Диффузионный ток
Кроме теплового возбуждения, приводящего к возникновению равновесной концентрации зарядов, равномерно распределенных по объему полупроводника, обогащение полупроводника электронами до концентрации np и дырками до концентрации pn может осуществляться его освещением, облучением потоком заряжённых частиц, введением их через контакт (инжекцией) и т. д. В этом случае энергия возбудителя передается непосредственно носителям заряда и тепловая энергия кристаллической решетки остается практически постоянной. Следовательно, избыточные носители заряда не находятся в тепловом равновесии с решеткой и поэтому называются неравновесными. В отличие от равновесных они могут неравномерно распределяться по объему полупроводника.
После прекращения действия возбудителя за счет рекомбинации электронов и дырок концентрация избыточных носителей быстро убывает и достигает равновесного значения.
Скорость рекомбинации неравновесных
носителей пропорциональна избыточной концентрации дырок (pn
- 
)
или электронов (np - 
):
;
,
где t p - время жизни дырок; t n - время жизни электронов. За время жизни концентрация неравновесных носителей уменьшается в 2,7 раза. Время жизни избыточных носителей составляет 0,01...0,001 с.
Носители зарядов рекомбинируют в объеме полупроводника и на его поверхности. Особенно эффективной является рекомбинация через центры захвата. Она заключается в следующем.
В запрещенной зоне полупроводника могут появиться локальные энергетические уровни, которые образуются примесными атомами и различными дефектами кристаллической решетки.
Глубокие локальные уровни, находящиеся вблизи середины запрещенной зоны, являются эффективными центрами рекомбинации. На локальный уровень из зоны проводимости может переходить электрон (рис. 1.5).
Вероятность встречи дырки с "неподвижным" электроном, расположенным на глубинном локальном уровне, значительно выше вероятности встречи ее с подвижным электроном.
Неравномерное распределение неравновесных носителей зарядов сопровождается их диффузией в сторону меньшей концентрации. Это движение носителей зарядов обусловливает прохождение электрического тока, называемого диффузионным.
Рассмотрим одномерный случай. Пусть в полупроводнике концентрации электронов n(x) и дырок p(x) являются функциями координаты. Это приведет к диффузионному движению дырок и электронов из области с большей их концентрацией в область с меньшей концентрацией.
Диффузионное движение носителей зарядов обусловливает прохождение диффузионного тока электронов и дырок, плотности которых определяются из соотношений:
;
(1.13)
;
(1.14)
где dn(x)/dx, dp{x)/dx - градиенты концентраций электронов и дырок; Dn, Dp - коэффициенты диффузии электронов и дырок.
Градиент концентрации характеризует степень неравномерности распределения зарядов (электронов и дырок) в полупроводнике вдоль какого-то выбранного направления (в данном случае вдоль оси x). Коэффициенты диффузии показывают количество носителей заряда, пересекающих в единицу времени единичную площадку, перпендикулярную к выбранному направлению, при градиенте концентрации в этом направлении, равном единице. Коэффициенты
диффузии связаны с подвижностями носителей зарядов соотношениями Эйнштейна:
Рис. 1.5. Локальный уровень в запрещенной зоне.
;
.
Знак "минус" в выражении (1.14) означает противоположную направленность электрических токов в полупроводнике при диффузионном движении электронов и дырок в сторону уменьшения их концентраций.
Если в полупроводнике существует и электрическое поле, и градиент концентрации носителей, проходящий ток будет иметь дрейфовую и диффузионную составляющие. В таком случае плотности токов рассчитываются по следующим уравнениям:
;
.