Инжекция носителей¶

Инжекция носителей — это процесс введения избыточных носителей электрического заряда (электронов или дырок) в полупроводниковый материал или область прибора, осуществляемый за счёт внешнего воздействия, чаще всего электрического поля. Является ключевым физическим механизмом, лежащим в основе работы большинства полупроводниковых приборов: диодов, транзисторов, тиристоров, лазеров и светодиодов. Инжекция изменяет концентрацию носителей в заданной области, что приводит к изменению её проводимости, возникновению излучения или усилению сигнала.

¶Физическая сущность

В состоянии термодинамического равновесия в полупроводнике концентрация электронов и дырок определяется температурой и уровнем легирования. Инжекция нарушает это равновесие, создавая область с избыточной концентрацией неосновных носителей (например, электронов в p-области или дырок в n-области). Избыточные носители, называемые инжектированными, рекомбинируют с основными носителями, выделяя энергию в виде тепла или фотонов.

Основным условием эффективной инжекции является наличие границы раздела между областями с разным типом проводимости (p-n-переход) или между металлом и полупроводником (контакт Шоттки). При подаче прямого смещения на p-n-переход потенциальный барьер снижается, и основные носители из одной области начинают переходить в другую, становясь там неосновными. Этот процесс и есть инжекция.

Количественно инжекция характеризуется коэффициентом инжекции (γ), который показывает долю тока, переносимого неосновными носителями, от общего тока через переход. Для биполярных транзисторов важен коэффициент передачи эмиттерного тока, который напрямую зависит от эффективности инжекции эмиттера.

¶Механизмы инжекции

Выделяют несколько основных механизмов, в зависимости от способа создания избыточных носителей:

¶Электрическая инжекция (токовая)

Наиболее распространённый тип. Осуществляется при пропускании электрического тока через p-n-переход или гетеропереход в прямом направлении. Энергия, получаемая носителями от внешнего источника, позволяет им преодолеть потенциальный барьер. Этот механизм используется в биполярных транзисторах, диодах, светодиодах и лазерных диодах.

¶Оптическая инжекция (фотоинжекция)

Происходит при облучении полупроводника светом с энергией фотонов, превышающей ширину запрещённой зоны. Фотоны поглощаются, порождая электронно-дырочные пары. Избыточные носители, созданные таким образом, ведут себя аналогично инжектированным электрически. Этот механизм лежит в основе работы фотодиодов, солнечных элементов и фототранзисторов.

¶Тепловая инжекция

Возникает при локальном нагреве полупроводника, что приводит к увеличению концентрации собственных носителей. В чистом виде используется редко, чаще является паразитным эффектом, например, при тепловом пробое p-n-перехода.

¶Инжекция горячих носителей

Наблюдается в сильных электрических полях (например, в канале полевого транзистора или в области стока). Носители приобретают кинетическую энергию, достаточную для преодоления потенциального барьера на границе раздела (например, кремний — диоксид кремния). Этот механизм важен для работы флэш-памяти (программирование ячеек) и является причиной деградации МОП-транзисторов.

¶Применение в полупроводниковых приборах

¶Биполярные транзисторы

В биполярном транзисторе инжекция носителей из эмиттера в базу является основным процессом, определяющим усиление. Эмиттер легируется значительно сильнее базы, что обеспечивает высокую эффективность инжекции. Управляя током базы, можно регулировать количество инжектированных носителей и, следовательно, коллекторный ток.

¶Светодиоды и лазерные диоды

В этих приборах инжекция электронов и дырок в активную область (p-n-переход или квантовую яму) приводит к их излучательной рекомбинации. Энергия фотона равна ширине запрещённой зоны материала активной области. Эффективность инжекции напрямую определяет внешний квантовый выход и яркость излучения. В лазерных диодах для достижения инверсии населённостей требуется высокая плотность инжектированных носителей.

¶Тиристоры

Тиристор представляет собой четырёхслойную структуру p-n-p-n. Инжекция носителей из одного перехода в другой запускает процесс лавинообразного нарастания тока (включение тиристора). Управляющий электрод инициирует начальную инжекцию, после чего прибор переходит в проводящее состояние.

¶Фотоприёмники

В фотодиодах и фототранзисторах оптическая инжекция создаёт фототок. В лавинных фотодиодах используется ударная ионизация, усиливающая первичный фототок, что также является разновидностью инжекции горячих носителей.

¶Паразитные эффекты и ограничения

Инжекция носителей может приводить к нежелательным явлениям:

• Эффект Кирка — расширение области объёмного заряда коллектора при высокой плотности инжектированных носителей, что снижает граничную частоту биполярного транзистора.
• Эффект Эрли — модуляция толщины базы под действием изменения коллекторного напряжения, влияющая на инжекцию.
• Паразитная инжекция в КМОП-структурах — инжекция неосновных носителей в подложку, приводящая к триггерному эффекту (latch-up) и выходу микросхемы из строя.
• Деградация МОП-транзисторов — инжекция горячих носителей в подзатворный диэлектрик вызывает накопление заряда, сдвиг порогового напряжения и увеличение токов утечки.

¶Современные исследования

В современной микро- и оптоэлектронике инжекция носителей изучается в контексте:

• Спинтроника — инжекция поляризованных по спину носителей из ферромагнитных материалов в полупроводники для создания спиновых транзисторов.
• Органическая электроника — инжекция носителей из металлических электродов в органические полупроводники. Эффективность инжекции ограничивается высоким энергетическим барьером, что является одной из ключевых проблем органических светодиодов (OLED) и органических полевых транзисторов.
• Низкоразмерные структуры — инжекция в квантовые точки, квантовые нити и двумерные материалы (графен, дихалькогениды переходных металлов). Особенности транспорта и рекомбинации в таких системах требуют новых моделей инжекции.
• Твердотельные источники питания — разработка радиоизотопных бета-вольтаических элементов, где инжекция носителей осуществляется за счёт бета-частиц, испускаемых радиоактивным изотопом.

¶Источники

1. Зи С. Физика полупроводниковых приборов. — М.: Мир, 1984.
2. Мюллер Р., Каминс Т. Элементы интегральных схем. — М.: Мир, 1989.
3. Шалимова К. В. Физика полупроводников. — М.: Энергоатомиздат, 1985.
4. Соколов И. А. Физические основы микроэлектроники. — СПб.: Лань, 2018.
5. Sze S. M., Ng K. K. Physics of Semiconductor Devices. — 3rd ed. — Wiley-Interscience, 2007.