Дрейфовый ток, подвижность носителей зарядов

В полупроводниках свободные электроны и дырки находятся в состоянии хаотического движения. Поэтому, если выбрать произвольное сечение внутри объема полупроводника и подсчитать число носителей зарядов, проходящих через это сечение за единицу времени слева направо и справа налево, значения этих чисел окажутся одинаковыми. Это означает, что электрический ток в данном объеме полупроводника отсутствует.

При помещении полупроводника в электрическое поле на хаотическое движение носителей зарядов накладывается составляющая направленного движения. Направленное движение носителей зарядов в электрическом поле обусловливает появление тока, называемого дрейфовым током. Из-за столкновения носителей зарядов с атомами кристаллической решетки их движение в направлении действия электрического поля будет прерывистым. Такое движение может быть охарактеризовано средней скоростью движения носителей зарядов в направлении действия электрического поля. Средняя скорость движения носителей зарядов в поле единичной напряженности называется подвижностью или коэффициентом подвижности носителей заряда.

Подвижность носителей заряда зависит от механизма их рассеяния в кристаллической решетке. Подвижности электронов (\(\mu_n\)) и дырок (\(\mu_p\)) в полупроводнике имеют различное значение (\(\mu_n > \mu_p\)) и определяются температурой и концентрацией примесей. Увеличение температуры приводит к уменьшению подвижности, что зависит от числа столкновений носителей зарядов в единицу времени.

Зная подвижность и концентрацию носителей зарядов в полупроводнике, можно легко определить его удельную электропроводность (\(\sigma\)):

\(\sigma=\sigma_n+\sigma_p=q\left(n\mu_n+p\mu_p\right)\),

где \(\sigma_n\) ,\(\sigma_p\) — электронная и дырочная составляющие электропроводности,
\(q\) — элементарный отрицательный заряд,
\(n\) и \(p\) — концентрации, соответственно, электронов и дырок.

Для полупроводника с собственной электропроводностью:

\(n = p = n_i \), \(\sigma_i=qn_i\left(\mu_n+\mu_p\right)\).

Для полупроводника \(n\)-типа:

\(\sigma\approx\sigma_n=qn_{n0}\mu_n\).

Для полупроводника \(p\)-типа:

\(\sigma\approx\sigma_p=qp_{p0}\mu_p\),

где \(n_{n0}\) и \(p_{p0}\) — концентрации электронов и дырок в полупроводнике
в состоянии теплового равновесия.

В области высоких температур концентрация свободных носителей в полупроводнике значительно возрастает из-за разрыва ковалентных связей и, несмотря на уменьшение их подвижности, электропроводность полупроводника увеличивается по экспоненциальному закону.