Что такое дрейфовый ток в полупроводнике, диоде, транзисторе? К Главе 5 Справочник

Описание: В контексте нашего обсуждения диффузии и градиента концентрации, дрейфовый ток является вторым ключевым механизмом переноса заряда в полупроводниках.

Дрейфовый ток — это упорядоченное движение свободных носителей заряда (электронов и дырок) в полупроводнике под действием внешнего электрического поля.

Как это происходит:

Приложение электрического поля: Когда к полупроводнику прикладывается внешнее напряжение, внутри него возникает электрическое поле.

Действие силы: Это электрическое поле оказывает силу на свободные электроны (отрицательно заряженные, движутся против поля) и дырки (положительно заряженные, движутся по полю).

Дрейфовая скорость: Под действием этой силы носители заряда начинают ускоряться. Однако, как мы уже говорили, они постоянно сталкиваются с атомами кристаллической решетки. Эти столкновения прерывают их движение, заставляя их каждый раз начинать ускорение заново. В результате устанавливается некоторая средняя постоянная скорость движения в направлении поля, которая называется дрейфовой скоростью
Дрейфовая скорость пропорциональна напряженности электрического поля (E) и подвижности носителей заряда (μ): Vd=μE.

Подвижность (μ) — это важная характеристика полупроводника, которая показывает, насколько легко носители заряда перемещаются под действием электрического поля. Она зависит от типа материала, температуры и наличия примесей.

Дрейфовый ток: Поскольку заряженные частицы движутся упорядоченно в одном направлении, это создает электрический ток, который называется дрейфовым током.

Величина дрейфового тока зависит от концентрации носителей заряда, их заряда, площади поперечного сечения полупроводника и дрейфовой скорости.

Отличие от диффузионного тока:

Причина: Дрейф вызывается электрическим полем, диффузия — градиентом концентрации.

Движение: Дрейф — это направленное, упорядоченное движение, диффузия — это хаотическое тепловое движение, приводящее к чистому потоку.

1. В p-n переходе (основа диодов и транзисторов)
Без внешнего смещения (в равновесии): В p-n переходе существует встроенное электрическое поле в обедненной области. Это поле создает дрейфовый ток неосновных носителей заряда, который компенсирует диффузионный ток основных носителей. Например, электроны из P-области (неосновные) дрейфуют в N-область, а дырки из N-области (неосновные) дрейфуют в P-область. В равновесии чистый ток через переход равен нулю.

При прямом смещении (Forward Bias): Приложение внешнего напряжения уменьшает потенциальный барьер. Диффузионный ток основных носителей резко возрастает, поскольку им становится легче преодолевать барьер. Дрейфовый ток неосновных носителей (создаваемый встроенным полем) при этом практически не меняется, так как он зависит от концентрации неосновных носителей, а она практически не меняется при прямом смещении. Таким образом, при прямом смещении доминирует диффузионный ток.

При обратном смещении (Reverse Bias): Приложение внешнего напряжения увеличивает потенциальный барьер и расширяет обедненную область. Это практически полностью останавливает диффузионный ток основных носителей. Однако встроенное поле усиливается, и оно с легкостью "подхватывает" любые случайно генерированные (например, из-за тепла) неосновные носители в обедненной области или рядом с ней и перемещает их через переход. Этот небольшой, почти постоянный ток, обусловленный дрейфом неосновных носителей, называется током насыщения обратного смещения (или током утечки). Таким образом, при обратном смещении доминирует дрейфовый ток неосновных носителей.

2. В биполярных транзисторах (БПТ)
В транзисторах, которые состоят из двух p-n переходов (например, NPN или PNP), оба типа тока играют ключевую роль:

Переход эмиттер-база (прямое смещение): Здесь, как и в диоде при прямом смещении, доминирует диффузия основных носителей из эмиттера в базу (например, электронов в NPN).

Переход база-коллектор (обратное смещение): Здесь, как и в диоде при обратном смещении, генерируется малый дрейфовый ток неосновных носителей. Однако большая часть тока транзистора создается за счет диффузии носителей из эмиттера через тонкую базу и их последующего дрейфа под действием электрического поля коллекторного перехода. Например, электроны, инжектированные из эмиттера в базу, диффундируют через базу к коллекторному переходу, где мощное электрическое поле "подхватывает" их и ускоряет в коллектор, создавая дрейфовый ток коллектора.

Итог:

Дрейфовый ток — это фундаментальное явление в полупроводниках, возникающее из-за движения зарядов под действием электрического поля. Он играет ключевую роль в работе всех полупроводниковых приборов, особенно в p-n переходах (где он важен для обратного смещения) и в полевых транзисторах (где он является основным механизмом тока). В биполярных транзисторах дрейф и диффузия работают в тандеме для обеспечения усиления сигнала.