Лекции для студентов

Физика полупроводников. Лекция 4

§8. Ударная ионизация в полупроводниках.

В отсутствии внешнего электрического поля или в слабых полях зоны полупроводников в координатах являются горизонтальными, это означает, что для электрона в любой точке кристалла нужна одинаковая энергия, чтобы попасть, например, на дно зоны проводимости (смотри рисунок).

В электрических полях зоны полупроводников “наклоняются”. Это является результатом того, что потенциальная энергия электрона в присутствии внешнего электрического поля зависит от координаты x, если внешнее поле имеет направление как показано на рисунке, то потенциальная энергия электронов с ростом x возрастает по закону , наклон определяется величиной . Внешнее поле значительно меньше внутренних кристаллических полей, следовательно, они не изменяют такие фундаментальные параметры кристалла; как ширина запрещенной зоны , энергия ионизация примесей .

В связи с этим потолок валентной зоны, примесные уровни и дно зоны проводимости наклоняются, т.е. в этом случае , .

Для определенности будем рассматривать полупроводник донорного типа. Под действием электрического поля свободные электроны ускоряются в направлении противоположному полю . На длине свободного пробега эти электроны приобретают от поля энергию , которая затрачивается на кинетическую энергию, на пути потенциальная энергия уменьшается на эту же величину, следовательно, полная энергия электрона в электрическом поле равна: (на диаграмме горизонтальная линия). Энергия разогретых электрическим полем электронов может стать такой, что она достаточна для ионизации за счет соударений доноров (I) или основных атомов кристалла (II), при этом сам свободный электрон после соударения остается в зоне проводимости. В результате соударений (I) в зоне проводимости появляется вместо одного два свободных электрона, они ускоряются электрическим полем и эти два электрона могут произвести ионизацию двух доноров, в результате этого ток через полупроводник будет резко возрастать. В очень сильных электрических полях энергия разогретых электронов может быть достаточна для ионизации основных атомов кристалла. В результате такого акта (II) появляется свободный электрон, свободная дырка и сам ионизирующий электрон при большой энергии может остаться в зоне проводимости, ускоряются электрическим полем и могут произвести акт (II). В этом случае будет иметь место еще более резкое возрастание тока с напряженностью электрического поля. Акты соударения разогретых носителей заряда с примесными или основными атомами кристалла называются ударной ионизацией.

Эффект ударной ионизации наиболее ярко выражен в полупроводниках, в которых носители заряда имеют высокую подвижность при низких температурах кристалла, например: в кристалле Ge эффект ударной ионизации при T = 4,2 K. Наблюдается в электрических полях (смотри рисунок).