Инжекция носителей заряда

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:

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

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

где ${\displaystyle n_{0}}$ и ${\displaystyle p_{0}}$ — равновесные концентрации электронов и дырок, а ${\displaystyle \bigtriangleup n_{i}}$ и ${\displaystyle \bigtriangleup p_{i}}$ — 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 ${\displaystyle p-n}$-переходах или гетеропереходах.

Суммарный ток через ${\displaystyle p-n}$-переход с учётом инжекции подчиняется зависимости:

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

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

Количественным параметром инжекции служит эффективность или коэффициент инжекции, равный отношению величин инжектированного тока к полному току, протекающему через контакт^[1]. Обратное явление, наблюдаемое в приконтактной области переходов «полупроводник — полупроводник» и «полупроводник — металл» называется экстракцией.

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.