Неравновесные электроны и дырки. Рекомбинация неравновесных носителей заряда.

Носители заряда, возникающие под действием тепла называются равновесными.

Внешнее воздействие на полупроводниковый кристалл может создавать избыточную концентрацию носителей заряда над равновесной. В этом случае говорят, что имеет место инжекция. После прекращения инжекции через некоторое время восстанавливается равновесие и концентрация носителей заряда возвращается к равновесной. Процессом способствующим восстановлению равновесья является рекомбинация.

Акт рекомбинации можно рассматривать как такое взаимодействие электрона и дырки, в результате которого свободный электрон возвращается из зоны проводимости в валентную зону, а энергия затраченная на переброс электрона из валентной зоны в зону проводимости выделяется в виде излучения или тепла.

Если полупроводник находится в равновесных условиях, то число носителей заряда, возникающих в нем в результате тепловой генерации равно числу носителей, исчезающих в результате рекомбинации и равновесная концентрация носителей не изменяется.

Соответствующее кинетическое уравнение, характеризующее изменение концентрации носителей заряда при наличии инжекции можно записать в следующем виде:

(1.52)

где G и U - соответственно скорость генерации и скорость рекомбинации (число электронов генерируемых или рекомбинирующих в единице объема в единицу времени), n - концентрация электронов в данный момент времени, n₀ - равновесная концентрация электронов, G - генерационный член, τ _n - характеристическое время жизни, Δ n - избыточная над равновесной концентрация носителей заряда. Решение этого уравнения имеет вид:

(1.53)

где A - зависит от начальных условий. Аналогичные соотношения можно записать для дырок В соответствии с этим константы τ _nи τ _p (время жизни электронов и дырок) можно определить как время в течение которого концентрация неравновесных (избыточных) носителей заряда убывает в e раз. Поскольку мы говорим избыточных, следовательно время измеряется после снятия возбуждения. Таким образом время жизни характеризует длительность пребывания в разрешенной зоне неравновесных носителей заряда.

Существует несколько механизмов рекомбинации

На рис. 1.23 показаны две возможные схемы рекомбинации. Левая схема соответствует случаю, когда свободные электрон и дырка непосредственно рекомбинируют сталкиваясь друг с другом, это так называемая межзонная рекомбинация. Она доминирует в том случае, когда концентрации свободных электронов и дырок велики, что имеет место в узкозонных материалах. В таких материалах как Ge, Si, GaAs доминирует рекомбинация через промежуточный уровень ловушки (правая схема на рис. 1.23).

При рекомбинации через промежуточный уровень ловушка сначала захватывает носитель одного знака, предположим электрон (1), и заряжается отрицательно (2). Затем она захватывает носитель другого знака - дырку (3), которая рекомбинирует с локализованным электроном и переводит ловушку вновь в нейтральное состояние (4).

(а) (б)

Рис. 1.23. Схемы рекомбинации электронов и дырок: межзонная (а) и чрез рекомбинационный уровень ловушки (б).

Таким образом, переход электрона из зоны проводимости в валентную зону происходит в два этапа: I- из зоны проводимости на рекомбинационный уровень, II - с рекомбинационного уровня в валентную зону (см. верхний рисунок)

На рисунке 13 показаны возможные процессы при взаимодействии носителей из разрешенных зон с ловушками: захват электрона (1) с последующей его рекомбинацией (2), захват дырки (3) с последующей ее рекомбинацией (4), эмиссия захваченного электрона (5), эмиссия захваченной дырки (6).

Рис. 1.24. Возможные процессы при взаимодействии носителей из разрешенных зон с ловушками.

После того как носитель был захвачен на ловушку для него существует две возможности: быть выброшенным обратно в зону из которой он пришел, прорекомбинировать с дыркой, которая захватывается заряженной ловушкой. Если процесс эмиссии преобладает над процессом рекомбинации, то такие уровни работают как уровни прилипания. После того как носитель некоторое время находился в локализованном состоянии он вновь становится свободным и может принимать участие в переносе заряда и соответственно электропроводности. Во втором случае носитель рекомбинирует и в процессах переноса заряда больше не участвует.

⇐ Предыдущая 1 23