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).

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).

• Лавинный пробой

• 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.