Экстракция носителей заряда

В области контакта полупроводника с металлом или другим полупроводником образуются области неоднородного распределения концентраций основных и неосновных носителей заряда со стороны полупроводника^[2]. Характер распределения зависит от свойств полупроводника и соотношений работ выхода и сродства к электронам конкретного материала, электрохимических потенциалов данного металла и полупроводника, уровня легирования контактирующего полупроводника, типа проводимости полупроводника, и других. В результате в приконтактной области полупроводника возникает потенциальный барьер, определяющий электрические свойства контакта. Наличие потенциального барьера приводит к возникновению электрического поля приконтактного барьера^[3]. При приложении внешнего электрического поля характер изменения концентраций основных носителей тока в приконтактной области в полупроводнике будет определяться соотношением направленности внешнего и внутреннего электрических полей. В случае несовпадения направленности этих полей происходит явление инжекции носителей заряда, в случае сонаправленности — экстракция носителей заряда.

Рассмотрим контакт полупроводников ${\displaystyle n}$- и ${\displaystyle p}$-типа. При таком контакте образуется ${\displaystyle n-p}$-переход. При подключении внешнего источника ЭДС так, что его положительный полюс подключён к полупроводнику ${\displaystyle p}$-типа, а отрицательный — к полупроводнику ${\displaystyle n}$-типа, то поле внешнего источника будет направлено навстречу полю потенциального барьера; в этом случае говорят о прямом смещении ${\displaystyle n-p}$-перехода. Если внешний источник подключён так, что его положительный полюс подключён к полупроводнику ${\displaystyle n}$-типа, а отрицательный — к полупроводнику ${\displaystyle p}$-типа, то поле внешнего источника будет направлено по полю потенциального барьера; в этом случае говорят об обратном смещении ${\displaystyle n-p}$-перехода.

Экстракция носителей заряда в приконтактной области полупроводника возникает при обратном смещении перехода.

В случае приложения обратного смещения (запорного напряжения) к ${\displaystyle n-p}$-переходу концентрация носителей в ${\displaystyle n}$-области, обладающих энергий, достаточной для перехода в ${\displaystyle p}$-область, равна:

где ${\displaystyle n_{p}}$ — концентрация носителей в ${\displaystyle n}$-области, ${\displaystyle e}$ — заряд электрона, ${\displaystyle V}$ — приложенное напряжение, ${\displaystyle k}$ — постоянная Больцмана, ${\displaystyle T}$ — температура. Отметим, что при запорном напряжении практически всегда выполняется условие ${\displaystyle eV\gg kT}$. Потоком электронов из ${\displaystyle n}$-области в ${\displaystyle p}$-область в таком случае можно пренебречь, тогда концентрация электронов на расстоянии, равном диффузионной длине в ${\displaystyle p}$-области, уменьшается по экспоненциальному закону, и уменьшение концентрации неосновных носителей по отношению к равновесной можно определить как:

где ${\displaystyle x}$ — расстояние до контакта, ${\displaystyle L}$ — диффузионная длина носителей заряда.

На рисунке представлен механизм экстракции в ${\displaystyle n-p}$-переходе. Здесь А — ${\displaystyle n-p}$-переход без смещения, показаны основные и неосновные носители заряда в полупроводниках разного типа проводимости и схематически их концентрации (схема приведена для для собственных полупроводников). Часть Б демонстрирует процессы в ${\displaystyle n-p}$-переходе при обратном смещении — рекомбинацию и экстракцию, направления электрического поля источника и образца (внутреннее поле в ${\displaystyle n-p}$-переходе) и изменение, по сравнению со случаем без смещения, концентраций основных и неосновных носителей заряда.

Экстракцию носителей заряда разделяют, в зависимости от механизмов возникновения объёмного заряда, на монополярную и биполярную, а по характеру временной зависимости — на стационарную и нестационарную.