Ударная ионизация

Уда́рная иониза́ция — физическая модель, описывающая ионизацию атома при «ударе о него» электрона или другой заряженной частицы — например, позитрона, иона или «дырки». Явление наблюдается как в газах, так и в твёрдых телах, например в полупроводниках.

В полупроводниках электрон или дырка, обладающие достаточно высокой кинетической энергией (по крайней мере превосходящей ширину запрещённой зоны), могут ионизовать кристалл и создать в нём электронно-дырочную пару. В состояния с высокой энергией носители заряда попадают в сильном электрическом поле, а также при поглощении фотона или при инжекции (через туннельный барьер или гетеропереход с разрывом зон на границе).

Количественные характеристики

Для количественного описания ионизации в сильном поле ${\displaystyle F}$ служит коэффициент ударной ионизации (см^-1)

${\displaystyle \alpha _{ii}=a\,\exp(-b/F),\quad a={\rm {const}},\,\,b={\rm {const}}}$.

Он задаёт число ионизаций, осуществляемых одним электроном, дыркой или другой частицей на единичном пути, и играет роль показателя интенсивности размножения. Символы ${\displaystyle ii}$ означают англ. impact ionization.

При моделировании, особенно методом Монте-Карло, поведения высокоэнергетичных носителей используют темп ударной ионизации ${\displaystyle \tau _{ii}^{-1}}$ (с^-1) как функцию энергии. Темп — это обратное характерное время до соответствующего события, в данном случае до акта ионизации.

Мерой ударной ионизации может также выступать квантовый выход ${\displaystyle P_{ii}}$ — среднее число ионизаций, совершаемых частицей при движении в рассматриваемой области, например от инжекции до полной релаксации по энергии.

Для электронов в одном из основных материалов полупроводниковой техники — кремнии, ${\displaystyle \alpha _{ii}}$ составляет ${\displaystyle \sim 10^{3}}$ см^-1 при ${\displaystyle F=2\cdot 10^{5}}$ В/см и ${\displaystyle 10^{5}}$ см^-1 при ${\displaystyle F=5\cdot 10^{5}}$ В/см. Темп ${\displaystyle \tau _{ii}^{-1}(E)}$ (с^-1) изменяется с энергией электрона ${\displaystyle E}$, отсчитываемой в эВ от края зоны проводимости Si, примерно как ${\displaystyle 10^{11}(E-E_{g})^{4.6}}$, а выход ${\displaystyle P_{ii}(E)}$ в случае ${\displaystyle F=0}$ равен 0.01 для ${\displaystyle E=2.1}$ эВ и 0.5 для ${\displaystyle E=3.6}$ эВ^[1]. Энергетическим порогом для ${\displaystyle \tau _{ii}^{-1}(E)}$ и ${\displaystyle P_{ii}(E)}$, ниже которого эти величины равны нулю, является ширина запрещённой зоны ${\displaystyle E_{g}}$ (1.1 эВ).

Значимость ударной ионизации

См. также

• Лавинный пробой

Примечания

1. K. Taniguchi et al. Monte Carlo Simulation of Impact ionization processes in silicon Архивная копия от 30 мая 2023 на Wayback Machine, Proc. Intl. Workshop on Computational Electronics - IWCE'1994, Portland, USA, pp. 19-24 (см. рис. 1, 3, 6 в конце).

Литература

• Котельников И. А. Лекции по физике плазмы. Том 1: Основы физики плазмы. — 3-е изд. — СПб.: Лань, 2021. — 400 с. — ISBN 978-5-8114-6958-1.
• А. И. Лебедев. Физика полупроводниковых приборов. — М.: Физматлит, 2008. — 488 с. — ISBN 978-5-9221-0995-6.