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 $F$ служит коэффициент ударной ионизации (см^-1)

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

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

При моделировании, особенно методом Монте-Карло, поведения высокоэнергетичных носителей используют темп ударной ионизации $\tau _{ii}^{-1}$ (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 $P_{ii}$ — 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, $\alpha _{ii}$ составляет $\sim 10^{3}$ см^-1 при $F=2\cdot 10^{5}$ В/см и $10^{5}$ см^-1 при $F=5\cdot 10^{5}$ В/см. Темп $\tau _{ii}^{-1}(E)$ (с^-1) изменяется с энергией электрона $E$, отсчитываемой в эВ от края зоны проводимости Si, примерно как $10^{11}(E-E_{g})^{4.6}$, а выход $P_{ii}(E)$ в случае $F=0$ равен 0.01 для $E=2.1$ эВ и 0.5 для $E=3.6$ эВ. Энергетическим порогом для $\tau _{ii}^{-1}(E)$ и $P_{ii}(E)$, ниже которого эти величины равны нулю, является ширина запрещённой зоны $E_{g}$ (1.1 эВ).

См. также

• Лавинный пробой

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.