Инжекция

Инжекция — физическое явление, наблюдаемое в полупроводниковых гомо- и гетеропереходах, при котором при пропускании электрического тока в прямом направлении через p-n-переход в прилежащих к переходу областях создаются высокие концентрации неравновесных («инжектированных») носителей заряда. Явление инжекции является следствием уменьшения высоты потенциального барьера в p-n-переходе при подаче на него прямого напряжения.

Явление инжекции лежит в основе работы многих полупроводниковых приборов: диодов, биполярных транзисторов, тиристоров, инжекционно-пролётных диодов, светодиодов и полупроводниковых инжекционных лазеров.

Особенностью явления инжекции в гетеропереходах является возможность наблюдения явления суперинжекции, при котором концентрация инжектированных носителей может превышать концентрацию легирующих примесей в области, из которой идет инжекция. Это явление принципиально важно для работы полупроводниковых инжекционных лазеров.

Инжекция в p-n-переходе

При достаточно высокой температуре, когда примесные атомы практически полностью ионизованы, в n-области, легированной донорами с концентрацией N_d, концентрация основных носителей (электронов) равна n_n ≈ N_d. Так как в невырожденном полупроводнике концентрации электронов n и дырок p связаны соотношением n·p =n_i², где n_i — собственная концентрация носителей заряда, концентрация неосновных носителей (дырок) в n-области равна  p_n=n_i²/ n_n, причём n_n ≫ n_i ≫ p_n.

Распределение концентраций электронов и дырок в p-n-переходе при нулевом смещении U=0 (непрерывная кривая) и при положительном смещении U>0 (пунктирная кривая).

В области p-типа, легированной акцепторами с концентрацией N_a, концентрация дырок равна p_p ≈ N_a, в то же время концентрация электронов n_p=n_i²/ p_p, при этом выполняется соотношение p_p ≫ n_i ≫ n_p.

Распределение концентраций электронов и дырок в p-n-переходе в отсутствие тока показано на рисунке справа. Как видно, концентрация дырок в дырочной области p_p (основные носители) постоянна и велика. В переходной области она уменьшается на много порядков и принимает малое значение p_n в n-области (неосновные носители). Аналогично, концентрация электронов изменяется от большого значения n_n в n-области до малой величины n_p в p-области.

В состоянии равновесия (при нулевом напряжении смещения) высота потенциального барьера V_bi устанавливается такой, что потоки носителей заряда, протекающие через p-n-переход в обоих направлениях, точно скомпенсированы. Например, поток электронов, движущихся из n- в p-область за счет диффузии и преодолевающих потенциальный барьер, равен потоку неосновных электронов, которые генерируются в p-области и, подходя к p-n-переходу, затягиваются электрическим полем в n-область. То же справедливо и для дырок.

Если теперь на p-n-переход подать напряжение смещения, то равновесие нарушится, потоки окажутся нескомпенсированными и через переход потечёт электрический ток. При этом значение тока будет зависеть от знака приложенного напряжения.

Рассмотрим, что будет происходить с диффузионным и дрейфовым токами, если к p-n-переходу приложить положительное внешнее смещение. При U>0  дырки из p-области устремятся в n-область, где они станут неосновными носителями. Так как p_p > p_n, эти дырки будут рекомбинировать с электронами. Однако вследствие конечности времени жизни дырок τ_p, рекомбинация произойдёт не сразу, поэтому в некоторой области за пределами перехода концентрация дырок будет оставаться больше p_n. Одновременно с этим увеличится и концентрация электронов в n-области, так как дополнительные электроны войдут из электрода для компенсации объёмного заряда пришедших дырок.  Аналогичным образом электроны будут переходить в p-область, становясь там неосновными носителями, и постепенно рекомбинировать  с дырками. Поэтому и слева от перехода концентрация электронов увеличится, а также увеличится и концентрация дырок, которые войдут из левого электрода для компенсации объёмного заряда электронов.

Таким образом, инжекция заключается в увеличении концентрации носителей обоих типов по обе стороны от перехода, то есть в возникновении квазинейтральных областей повышенной проводимости.

Литература

• Зюганов А. Н., Свечников С. В. Инжекционно-контактные явления в полупроводниках. — Киев: Наукова думка, 1981. — 256 с.
• Бонч-Бруевич В. Л., Калашников С. Г. Физика полупроводников. — Москва:Наука, 1977.
• Лебедев А. И. Физика полупроводниковых приборов. — Физматлит Москва, 2008. — 488 с. — ISBN 978-5-9221-0995-6.