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. Физически ударная ионизация — обратный процесс к Оже рекомбинации. Во втором случае энергия рекомбинирующей пары передается третьей частице, в первом — частица отдает энергию на создание пары.
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).
Ударная ионизация в новых материалах Двумерные материалы (WSe₂, MoS₂) проявляют сильную анизотропию ионизации по направлению электрического поля. Так, для запуска процесса в MoS₂ в вертикальном поле требуется бо́льшее напряжение, чем в горизонтальном. Кроме того, в MoS₂ обнаружена дефект-индуцированная ионизация, что влияет на надёжность приборов.
Широкозонные полупроводники (GaN, AlGaN, SiC, AlN) имеют высокое критическое поле, это делает их перспективными для мощной СВЧ электроники, где ударная ионизация ограничивается максимальным напряжением.
Узкозонные полупроводники, например квантовые ямы на основе CdHgTe или InAs/GaSb, позволяют управлять порогом ионизации в зоне проводимости — это открывает путь к детекторам с перестраиваемой чувствительностью.
Количественные характеристики Для количественного описания ионизации в сильном поле служит коэффициент ударной ионизации (см−1) . Он задаёт число ионизаций, осуществляемых одним электроном, дыркой или другой частицей на единичном пути, и играет роль показателя интенсивности размножения. Символы означают .
При моделировании, особенно методом Монте-Карло, поведения высокоэнергетичных носителей используют темп ударной ионизации (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 — 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, составляет см−1 при В/см и см−1 при В/см. Темп (с−1) изменяется с энергией электрона , отсчитываемой в эВ от края зоны проводимости Si, примерно как , а выход в случае равен 0.01 для эВ и 0.5 для эВK. Taniguchi et al. Monte Carlo Simulation of Impact ionization processes in silicon , Proc. Intl. Workshop on Computational Electronics — IWCE’1994, Portland, USA, pp. 19-24 (см. рис. 1, 3, 6 в конце).. Энергетическим порогом для и , ниже которого эти величины равны нулю, является ширина запрещённой зоны (1.1 эВ).
Значимость ударной ионизации Ударная ионизация активно исследуется в космосе, где наблюдается в различных ударных волнах разного характера (от остатков сверхновых вплоть до слияния галактик). Анализ спектральных линий излучения от таких областей позволяет определить физические параметры ударной волны: её скорость, плотность и химический состав газа. Немаловажно использование ударной ионизации в полупроводниковой электронике. Используется в таких приборах, как:
1.Лавинные фотодиоды — используются для усиления фототока. При попадании одного фотона возникает каскад генерации носителей, что значительно повышает чувствительность прибора. Например, однофотонные лавинные диоды применяются в квантовой криптографии, лидарах и флуоресцентной микроскопии используются в детекторах SPAD(Single Photon Avalanche Diode) и SiPM (Silicon Photomultiplier). Лавинные фотодиоды с усилением до 10⁵-10⁶ также критичны для волоконно-оптической связи на большие расстояния.
2. Стабилитроны (лавинные диоды) — применяются для стабилизации напряжения.
3.Транзисторы и СВЧ-диоды — ограничивает максимальное рабочее напряжение.
4.Широкозонные полупроводники — применяются в силовой электронике для работы на больших токах и напряжениях.
Процесс ударной ионизации используется в детекторах космической пыли, анализатор пыли «Кассини», для идентификации пылевых ударов и анализа состава частиц космической пыли, а также в основе твердотельных трековых детекторов для ядерной физики, где ионизационный удар помогает регистрировать тяжёлые заряженные частицы.
Ударная ионизация используется для исследований и создания плазмы и масс-спектрометрии.
См. также Лавинный пробой
Примечания
Литература
Категория:Ионизация Категория:Физика полупроводников