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 (Eg~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 ~Eg/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
Ec
1-ый этап – захват электрона
фонон
Ei
фонон
2-ой этап – захват дырки
Ev
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.