Заряда в полупроводниках

Виды рекомбинации свободных носителей

Заряда в полупроводниках

Механизмы генерации неравновесных носителей

Неравновесные носители заряда в полупроводнике могут возникать:

1. Под действием внешнего электромагнитного излучения:

• световая генерация;
• рентгеновская генерация;
• гамма-лучевая генерация.

2. Под действием ионизирующих частиц с высокой кинетической энергией.

3. Путем ударной ионизации при движении свободных носителей заряда через области полупроводника с электрическим полем большой напряженности. Этот механизм генерации может приводить к лавинному умножению числа свободных носителей.

4. Путем инжекции (впрыскивания) неравновесных носителей в выделенный контрольный объем. Например, путём инжекции через p-n переход, включенный в прямом направлении.

1. Прямая межзонная рекомбинация, когда электрон из зоны проводимости переходит на свободный уровень валентной зоны (рекомбинация зона-зона). По тому, куда расходуется энергия, выделяемая при рекомбинации, различают:

• излучательную рекомбинацию (процесс, обратный световой генерации электронно-дырочных пар);
• ударную рекомбинацию (так называемую Оже рекомбинацию – процесс, обратный ударной ионизации);
• безызлучательную или фононную рекомбинацию – процесс, обратный термической генерации электронно-дырочных пар.

2. Рекомбинация через локализованные энергетические уровни, расположенные в запрещенной зоне полупроводника. По тому, где расположены ловушки рекомбинации, различают:

• объемную рекомбинацию – через центры (ловушки) рекомбинации, расположенные в объеме полупроводника;
• поверхностную рекомбинацию - через центры (ловушки) рекомбинации, расположенные вблизи поверхности полупроводника.

В большинстве элементарных полупроводников, в том числе в кремнии и германии, вероятность излучательной рекомбинации на несколько порядков меньше безызлучательной. Однако вероятность прямой межзонной безызлучательной рекомбинации в этих полупроводниках также очень мала, поскольку сравнительно большая энергия, выделяющаяся при рекомбинации (E_g~1 эВ), редко может быть передана одному фонону (таких фононов при тепловом равновесии в области умеренных температур должно быть очень мало, а её одновременное распределение между двумя и более фононами крайне маловероятно). Таким образом, непосредственная межзонная рекомбинация, в целом, не является главным механизмом рекомбинации в большинстве полупроводников. Ведущую роль играет рекомбинация через локализованные ловушечные центры (рис 1.4.1). Этот вид рекомбинации двухэтапный:

• сначала электрон переходит из зоны проводимости на уровень ловушки;
• затем, через некоторое время, с уровня ловушки в валентную зону (об этом переходе говорят и так: из валентной зоны захватывается дырка).

На каждом этапе фононной подсистеме передается энергия ~E_g/2, то есть вдвое меньшая, чем при непосредственной рекомбинации зона-зона. Поэтому вероятность такой передачи энергии фононам резко повышается. Это делает рекомбинацию через локализованные центры ведущим механизмом рекомбинации в полупроводниках.

E_c

E

1-ый этап – захват электрона

фонон

E_i

фонон

2-ой этап – захват дырки

E_v

Рис. 1.4.1. Схема безызлучательной рекомбинации через локализованный уровень рекомбинационной ловушки

Роль ловушек рекомбинации могут играть:

• примесные атомы, образующие локализованные энергетические состояния в глубине запрещенной зоны (Au, Cu). Такие примеси иногда намеренно вводят в полупроводник для уменьшения времени жизни неосновных носителей заряда;
• поверхностные состояния, локализующиеся вблизи межфазных поверхностей и внешних поверхностей образца;
• другие точечные, линейные и двумерные структурные дефекты решетки, располагающиеся в объеме образца.

Дата добавления: 2014-10-15