Дрейфовый ток

Определение и физическая природа Дрейфовым током в полупроводниках называют электрический ток, возникающий при упорядоченном движении носителей заряда (электронов и дырок) под действием внешнего электрического поля. В отличие от диффузионного тока, связанного с градиентом концентрации носителей, дрейфовый ток обусловлен приложенным полем и определяется скоростью направленного движения носителей.

Основой механизма дрейфа является взаимодействие зарядов с электрическим полем: силы, действующие на электроны и дырки, приводят к их ускорению, однако из-за наличия процессов рассеяния на фононах, примесях и дефектах достигается установившееся среднее значение скорости — дрейфовой скорости.

Дрейфовая скорость носителей

Для носителя заряда с зарядом q в электрическом поле напряжённостью E сила Лоренца сводится к выражению:

F = qE.

Под действием этой силы носитель приобретает ускорение. Однако многочисленные столкновения с атомами решётки и примесями препятствуют неограниченному росту скорости. В результате устанавливается средняя дрейфовая скорость:

v_d = μE,

где μ — подвижность носителей заряда, зависящая от температуры, степени легирования и механизма рассеяния.

Уравнение дрейфового тока

Плотность дрейфового тока определяется произведением заряда, концентрации носителей и их средней скорости:

для электронов:

J_n = qnμ_nE,

для дырок:

J_p = qpμ_pE.

Полная плотность дрейфового тока равна сумме электронного и дырочного вкладов:

J = J_n + J_p = q(nμ_n + pμ_p)E.

Подвижность носителей

Подвижность μ является ключевым параметром, характеризующим эффективность переноса носителей в полупроводнике. Она определяется временем релаксации импульса τ и эффективной массой m^*:

$$ \mu = \frac{q \tau}{m^*} . $$

Чем больше время между столкновениями, тем выше подвижность.
Чем меньше эффективная масса, тем легче носителю реагировать на поле.

Подвижность уменьшается при увеличении концентрации примесей (из-за роста рассеяния на ионных центрах) и при высоких температурах (из-за усиления фононного рассеяния).

Зависимость дрейфового тока от напряжённости поля

В малых электрических полях выполняется линейный закон:

J ∝ E.

Однако при достаточно больших полях линейная зависимость нарушается. Возникают эффекты:

Насыщение дрейфовой скорости — при сильных полях носители достигают предельной скорости (v_sat), ограниченной взаимодействием с оптическими фононами.

v_d → v_sat, при E → ∞.
Отрицательная дифференциальная подвижность — в некоторых полупроводниках (например, GaAs, InP) при сверхвысоких полях носители переходят в зоны с большей эффективной массой, что приводит к уменьшению скорости при росте поля. Это явление лежит в основе эффекта Ганна.

Связь с электрической проводимостью

Дрейфовый ток напрямую связан с макроскопической характеристикой — электропроводностью полупроводника.

Для однородного материала:

J = σE,

где

σ = q(nμ_n + pμ_p)

— удельная проводимость.

Таким образом, электропроводность определяется как концентрацией носителей, так и их подвижностью.

Температурная зависимость

Поведение дрейфового тока при изменении температуры определяется сложным балансом процессов:

при низких температурах ограничивающим фактором становится рассеяние на примесях;
при высоких температурах доминирует рассеяние на фононах;
для сильно легированных полупроводников заметным становится вклад ионных центров.

В результате проводимость и дрейфовый ток могут как возрастать, так и уменьшаться при изменении температуры в зависимости от диапазона и уровня легирования.

Роль дрейфового тока в приборах

Дрейфовый ток является основным механизмом транспорта носителей в условиях внешнего электрического смещения. Его учет необходим при анализе работы:

диодов (дрейф носителей через p-n переход при прямом и обратном смещении),
транзисторов (управляемый ток через каналы),
фотоэлектрических приборов (дрейф носителей, сгенерированных светом, в электрическом поле),
сенсоров и детекторов (перенос носителей в поле, создаваемом встроенными или внешними напряжениями).

Ключевые особенности дрейфового тока

Возникает исключительно под действием электрического поля.
Пропорционален концентрации носителей и их подвижности.
В малых полях имеет линейную зависимость от E.
В сильных полях проявляются нелинейные эффекты: насыщение скорости, отрицательная дифференциальная подвижность.
Является определяющим фактором в проводимости полупроводников и работе большинства электронных приборов.