При конструировании и изготовлении полупроводниковых приборов большое значение имеют диффузионная длина и время жизни неравновесных носителей тока в полупроводнике. Так, триод, изготовленный из материала с боль¬шой диффузионной длиной, обладает большим ко¬эффициентом усиления по току. Величина диф¬фузионной длины зависит как от совершенства кристалла, так и от конструкции прибора и харак¬тера обработки поверхности полупроводника. Изучению факторов, влияющих на диффузи¬онную длину и время жизни неравновесных но¬сителей тока, а также метода их измерения по¬священа настоящая лабораторная работа.
Физический смысл времени жизни неравновесных носителей тока
До появления кристаллических триодов все выводы, касающие¬ся поведения электронов и дырок в полупроводнике, делались на основании электропроводности и постоянной Холла. Но эти методы не давали прямых доказательств существования диффузии, дрейфа и времени жизни неосновных носителей заряда. В ходе создания кристаллических триодов был открыт ряд новых явлений и стало возможным наблюдение поведения неравновесных носителей заряда в полупроводнике.
Как известно, присутствие в полупроводнике примесей приво¬дит к образованию локальных энергетических уровней, лежащих в запрещенной зоне. Характер и концентрация этих примесей опре¬деляют не только величину, но и тип электропроводимости материа¬ла. В этом случае концентрация носителей одного типа при слиш¬ком высоких температурах намного превосходит концентрацию носи¬телей другого типа. Можно сказать, что в таком полупроводнике присутствуют носители одного типа - основные носители. Носители же, находящиеся в меньшинстве, или неосновные носители, не влияют на свойства полупроводника. В электронном полупроводнике основными носителями заряда являются электроны, неосновными - дырки; в дырочном же полупроводнике основные носители - дырки, а неосновные - электроны.

В полупроводнике одновременно с процессом теплового воз¬буждения электронов, приводящего к переходу электронов в зону проводимости, наблюдается процесс рекомбинации - возвращение электронов в зону валентных связей. Такие переходы на рис. 1 для смешанного полупроводника показаны стрелками соответствен¬но: возбуждение - стрелки направлены вверх, рекомбинация - стрелки вниз. Равновесное состояние при данной температуре осуществляется в том случае, когда равны скорости теплового возбуждения и рекомбинации. Следовательно, каждой температуре в данном полупроводнике соответствует определенная равновесная кон¬центрация электронов и дырок.
Концентрации электронов и дырок в полупроводнике могут быть больше их равновесного значения. Это достигается путем введения в объем полупроводника дополнительных носителей тока. Таким воздействием, изменяющим проводимость полупроводника, может быть облучение его светом. Изменение концентрации носителем за¬ряда происходит также при прохождении тока через полупровод¬ник, отдельные части которого имеют разные типы проводимости. Кроме того, возникновение в объеме полупроводника дополнитель¬ных носителей может происходить и при прохождении тока через точечный контакт полупроводника с металлом. Так как в однород¬ном полупроводнике объемный заряд должен быть равен нулю, то дополнительные электроны и дырки появляются в равных количествах.
Процесс повышения концентрации основных и неосновных носи¬телей заряда по сравнению с их равновесными значениями при про¬хождении тока через р - n -переход или точечный контакт, а также при освещении полупроводника называется инжекцией носителей заряда. Это явление возможно только в полупроводниках благодаря наличию в них носителей двух знаков, и оно лежит в основе дей¬ствия полупроводниковых усилителей.
При введении носителей тока в объем полупроводника нару¬шается равновесие между процессами их генерации и рекомбинации, существовавшее до этого в полупроводнике. Это нарушение прояв¬ляется в увеличении скорости рекомбинации пар электрон - дырка, благодаря чему концентрация носителей через некоторое время после прекращения введения их возвращается к равновесной. Как показы¬вают многочисленные эксперименты, время жизни неравновесных но¬сителей меняется в очень широких пределах в различных кристаллах одного и того же полупроводника. Это позволяет заключить, что механизм рекомбинации не является простым актом столкновения электрона и дырки. Этот механизм более сложен и часто многосту¬пенчатый. Большую роль в этом процессе играют различного рода нарушения идеальности кристаллической решетки полупроводника.
Такими нарушениями могут являться примеси, механические на¬рушения и, в частности, сама поверхность кристалла. Эти нарушения ведут к возникновению энергетических локальных уровней в запре¬щенной зоне, которые являются «ловушками» для электронов и ды¬рок, увеличивая вероятность их рекомбинации.
Скорость рекомбинации электронов и дырок зависит от времени жизни носителей тока τ. Оно определяется следующим образом. Пусть n есть избыточная концентрация неосновных носителей заряда. Тогда есть скорость уменьшения концентрации неравновесных носителей.
Как показывает эксперимент, если избыточная концентрация не¬основных носителей заряда мала по сравнению с равновесной кон¬центрацией основных носителей, то скорость уменьшения концентра¬ции неравновесных носителей оказывается пропорциональной их концентрации, т. е.
(1)
1 /τ — вероятность рекомбинации неосновного носителя за 1 сек. Интегрирование уравнения (1) дает:
(2)