Khi chuyển động trong điện trường, điện tử thay đổi tọa độ và năng lượng của mình. Khi nhảy từ mức năng lượng này sang mức năng lượng khác thì động năng của nĩ tăng lên một khoảng Δw = eU (U là hiệu điện thế trên quãng đường điện tửđi qua), cịn thế năng của điện tử thì giảm đúng bằng như vậy để tổng năng lượng khơng đổi.
Điện tử khi tán xạ cĩ thể bị mất năng lượng tích lũy và quay lại mức thấp hơn. Để thuận tiện, theo trục y ta ký hiệu năng lượng tồn phần trừ đi ΔW, khi đĩ chuyển động của điện tử cĩ thể biểu điễn bằng đường nằm ngang cịn mức năng lượng là đường nằm nghiêng.
Trong điện trường mạnh sự tỉ lệ thuận của mật độ dịng điện với điện trường ngồi khơng cịn đúng nữa. Đĩ là hệ quả của sự thay đổi điện dẫn suất của vật liệu bán dẫn. Để giải thích sự thay đổi này ta khảo sát ảnh huởng của điện trường lên độ linh động và nồng độ hạt dẫn trong thể tích của bán dẫn.
Ảnh hưởng của điện trường lên độ linh động
Trong điện trường yếu, về cơ bản ảnh hưởng của trường chỉ làm thay đổi hướng vận tốc của hạt dẫn. Trong điện trường đủ mạnh sự tăng giá trị của vận tốc trên độ dài
W(eV) W(eV)
Wc Wc
Wv Wv
0 x 0 x
Hình 2.28 Chuyển động của điện tử cĩ thể biểu diễn bằng đường nằm ngang cịn mức năng lượng là đường nằm nghiêng.
bước tự do cĩ thể so sánh với vận tốc của chuyển động nhiệt, điều này dẫn tới sự giảm của thời gian bước tự do và sự thay đổi độ linh động của hạt dẫn.
Ảnh hưởng của điện trường lên nồng độ hạt dẫn
Khi điện trường lớn hơn 106 V/m trong vật liệu bán dẫn bắt đầu xuất hiện một lượng thừa hạt dẫn và điện dẫn suất của nĩ tăng lên. Cĩ các cơ chế sau của sự tăng nồng độ hạt dẫn:
*Ion hố nhiệt điện
Điện trường ngồi làm thay đổi dạng của rào thế giữa các nguyên tử của tinh thể. Nếu khơng cĩ điện trường ngồi thì trong tinh thể giữa các nguyên tử sẽ cĩ trường tuần hồn; dưới tác dụng của điện trường mạnh độ cao của rào thế sẽ giảm. Nếu đĩ là độ cao của rào thế của nguyên tử tạp chất (ví dụ donor) thì sự giảm năng lượng một lượng dW dẫn đến sự tăng nồng độ hạt dẫn trong vùng dẫn: n = NcNd exp ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ kT dW 2
Sự thay đổi nhỏ dW gây ra một sự thay đổi lớn nồng độ hạt dẫn (hiện tượng trên chỉ xảy ra khi điện trường gần 106 V/m).
*Ion hố do va đập:
Điện tử tự do dưới tác dụng của điện trường mạnh cĩ thể tích lũy năng lượng trên độ dài bước tự do đủ để ion hố nguyên tử tạp chất hay nguyên tử của chính vật liệu bán dẫn. Ion hố do va đập làm cho số lượng hạt dẫn tăng mạnh, vì điện tử vừa sinh ra lại bị gia tốc bởi điện trường, lại ion hố các nguyên tử khác…
*Hiệu ứng đường hầm
Điện trường mạnh gây ra độ nghiêng lớn trên giản đồ năng lượng .Trong điều kiện này điện tử cĩ thể di chuyển xuyên qua rào thế hẹp mà khơng thay đổi năng lượng của mình. Điện trường làm xuất hiện hiệu ứng đường hầm khác nhau đối với mỗi vật liệu bán dẫn, thơng thường cỡ 108 V/m.