Ярим ўтказгичларда заряд ташувчилар рекомбинацияси ва унинг яшаш вақтига таъсири

ЯРИМ ЎТКАЗГИЧЛАРДА ЗАРЯД ТАШУВЧИЛАР РЕКОМБИНАЦИЯСИ ВА УНИНГ ЯШАШ ВАҚТИГА ТАЪСИРИ
В статье рассматриваются фотоэлектрические явления в полупроводниках, а также влияние примесных атомов и рекомбинационных процессов на фоточувствительность фотоэлементов. Разъяснена связь скорости рекомбинации в полупроводниках с концентрацией носителей неравновестного заряда, образующейся под воздействием света. Также показана зависимость времени жизни носителей заряда с расположением центров рекомбинации.
Ключевые слова: кремний, генерация, рекомбинация, носитель, ловушка, время жизни, полупроводник.
The article focuses on the photoelectric phenomena in semiconductors, as well as the influence of impurity atoms and recombination processes on the photosensitivity of photocells. The relationship between the recombination rate in semiconductors and the concentration of nonequilibrium charge carriers formed under the action of light has been explained. The dependence of the lifetime of charge carriers on the location of recombination centers has also been shown.
Key words: silicon, generation, recombination, carrier, trap, lifetime, semiconductor.
Илмий нашрларда рекомбинациянинг уч тури кенг ўрганилган [1-6]. Булар нурланишли рекомбинация, Оже ёки зарбий рекомбинация ва чуқур сатҳлар орқали бўладиган Шокли –Рид-Холл рекомбинацияси.
Нурланишли рекомбинация бу электрон-ковак жуфтининг аннигиляция жараёни бўлиб, ажралаётган энергия фотон кўринишида нурланади.
Оже ёки зарбий рекомбинация уч заррачали жараён бўлиб, электрон-ковак жуфтининг аннигиляцияси жараёнида ажраладиган энергия учинчи заррачага узатилади.
Шокли-Рид-Холл рекомбинациясида рекомбинация жараёнлари кириндили ярим ўтказгичларда киринди марказлари орқали содир бўлади.

7. 
   ишда қириндили ярим ўтказгичларда содир бўладиган рекомбинация жараёнлари урганилган. Ярим ўтказгичли материалларни ёруғликка сезгирлиги, кремнийда киринди атомларини ҳосил қилган энергетик сатҳларининг хусусиятларига боғлиқлиги тушунтирилган.
   
8. 
   ишда зоналараро рекомбинация тезлигининг ярим ўтказгичлар зоналари тузилишига боғлиқлиги ўрганилган. Ярим ўтказгичли материаллар асосида ёруғликка сезгирлиги юқори бўлган қуёш батареяларини ясаш учун нотўғри зонали ярим ўтказгичлардан фойдаланиш мақсадга мувофиқлиги асослаб берилган.
   

Қисқача таҳлиллардан кўринадики, ярим ўтказгичларда содир бўладиган рекомбинация жараёнлари унинг заряд ташувчилар яшаш вақтига таъсири етарличи ўрганилмаган.
Ярим ўтказгичларда рекомбинация ҳодисасини ва унинг яшаш вақтига таъсирини ўрганиш, ярим ўтказгичли асбобларда содир бўладиган жараёнларни тушуниш ва уларни физик характеристикаларини яхшилаш учун муҳим аҳамият касб этади. Масалан, ярим ўтказгичлар асосида тайёрланган қуёш батареяларининг фотосезгирлиги рекомбинация тезлигига боғлиқ бўлади. Рекомбинация тезлиги ўз навбатида номувозанатив электрон ва коваклар концентрациясига боғлиқ.
Умумий ҳолда номувозанатив заряд ташувчилар концентрацияси қуйидагича
ёзилади
+ = − ,
+ = − (1)
бунда, n- ва p- номувозанатив заряд ташувчилар концентрацияси, ва -ток зичлиги, ва - заряд ташувчилар генерация тезлиги, ва -заряд ташувчилар рекомбинация
тезлиги.
Заряд ташувчиларнинг рекомбинация тезлиги = , = га тенг. Бунда ва - электрон ва ковакларнинг яшаш вақти.
Заряд ташувчиларнинг рекомбинацияси ва генерацияси тенг бўлганда ( = ), номувозанатив заряд ташувчилар яшаш вақтини = = кўринишда ёзиш мумкин.
У ҳолда (1) тенглама умумий ҳолда = − кўринишни эгаллайди. Бундан кўринадики номувозанатив заряд ташувчилар яшаш вақти номувозанатив заряд ташувчиларни концентрациясига боғлиқ бўлар экан.
Рекомбинация жараёнида электроннинг бошланғич ва охирги энергетик ҳолатига нисбатан энергия ажралиб чиқишига боғлиқ ҳолда рекомбинация жараёни турланади.
“Зона-зона” рекомбинацияда электрон тўғридан-тўғри ўтказувчанлик зонасидан валент зонасига ўтади.
Ёруғлик таъсирида электрон валент зонасидан ўтказувчанлик зонасига ўтади. Рекомбинация жараёнида электрон олган энергиясини чиқариши ҳисобига ўтказувчанлик зонасидан валент зонасига ўтади (1-расм).

Энергияси Е¹ дан Е¹ + dE¹ гача бўлган ўтказувчанлик зонасидаги электронларнинг сони N_c(E)f(E¹)dE¹ кўринишида ифодаланади. Валент зонаси учун бу ифода N_V(E)f(E)dE кўринишда бўлади.
1-расм. Ярим ўтказгичларда рекомбинация жараёнлари
Ўтказувчанлик зонасида электронлар, валент зонасида эса коваклар қанча кўп бўлса, рекомбинация сони ҳам шунча кўп бўлади ва қуйидагича ифодаланади,
dr = W(E1,E)Nc (E)NV(E)f(E1)f (E)dEdE1 (2)
ташқи таъсир остида ярим ўтказгичларда ҳосил бўладиган номувозанатив заряд ташувчиларнинг Ферми функцияси
1
f (E1) = exp FnkTE11 , f (E) = exp EkT Fp 11 ,

n = n +Δn = Nc exp  Fn Ec  p = po +  p = NV exp EVkTFp  , kT , 
n . p = no po exp FnkTFp = ni 2 exp FnkTFp 

1 у ҳолда, f (E1)f (E) = n.p e E Ec e EvkTE NV  N c
(2) тенгламани интегралласак:
r =  dr =  W (E,E¹)N_c(E¹)N_V(E)f (E¹) f (E)dEdE¹
бу ифода тўла рекомбинацияни беради. r_T = . n . p (3). Бу ерда - рекомбинация коэффициенти
1  Ev γ =   W (E¹,E)N_c (E¹)N_v (E)
NcNV _E¹E_c E
ro =γr no po (4) ташқи таъсир бўлмаганда, қоронғидаги рекомбинация.
Фақат ташқи таъсир остида кўзатиладиган рекомбинация тезлиги (3) дан (4) ни айириш орқали хосил қилинади.
r_ёруғ = r_r –r_o = _r (n_o n)(p_o p)n_o p_o
= _r n_o p_o n_op p_onnpn_o p_o _r(  np_o+ pn_o+  n  p) (5)
Демак, ёруғлик таъсирида юз берадиган рекомбинация тезлиги номувозанатив заряд ташувчиларнинг концентрациясига боғлиқ бўлар экан. Ярим ўтказгичли материалларда ҳажмий рекомбинация тезлигини камайтириш учун уни нурланишдан ҳимоя қилиш ёки нурланишга сезгирлигини камайтириш лозим бўлади.
Рекомбинация марказлари орқали юз берадиган рекомбинацияда, рекомбинация марказлари сифатида ярим ўтказгичнинг тақиқланган зонасида қиринди атомлари томонидан ҳосил қилинадиган энергетик сатҳлар роль ўйнайди. Ярим ўтказгичли материаллар таркибига чуқур сатҳ ҳосил қилувчи қириндилар (Аu,Ni,Co,Pt,Ir,Rh,....) киритилганда заряд ташувчиларнинг концентрациясини ўзгаришига бу эса ўз навбатида рекомбинация тезлигининг ўзгаришига олиб келади. Кремнийда саёз сатҳлар рекомбинация жараёнига таъсир қилмайди. Чунки бундай марказлар тўла ионлашган ҳолатда бўлади. Бунда электрон олдинига ўтказувчанлик зонасидан рекомбинация сатҳига, кейин рекомбинация сатҳидан валент зонасига ўтади. Таъкидлаш жоизки, ярим ўтказгичга киринди киритилиши орқали уни ёруғликка сезгирлиги ортиши ёки аксинча камайиши мумкин. Бу киринди атомларининг кремнийда ҳосил қилган энергетик сатҳларининг хусусиятига боғлиқ.
Сиртий рекомбинация кўпгина ҳолларда ярим ўтказгичли асбобларда ҳал қилувчи роль ўйнайди. Ярим ўтказгичнинг сирти ва ярим ўтказгичнинг бошқа материаллар билан контакт қилинган соҳаларида кўп миқдорда рекомбинация марказларини ҳосил қилади, модомики чегарада ва кристалл сиртидаги атомлар ва қўшни атомлар ўртасида узилиш пайдо бўлади. Сиртий рекомбинация технологик жараёнлар билан боғлиқ бўлар экан.
Рекомбинация заряд ташувчиларнинг яшаш вақтига таъсир қилади. Электрон ковак жуфтларининг нурланишли рекомбинация жараёнидаги яшаш вақтини ҳисоблаб кўриш мумкин. Маълумки, рекомбинация коэффициентини рекомбинация эффектив кесими
эфф ёрдамида қуйидаги кўринишда ифодалаш мумкин

= _эфф , (6)

бунда -электронларнинг ўртача иссиқлик тезлиги. Номувозанат ҳолатдаги жуфтларнинг яшаш вақти
= ^∆ = ^∆ = (7)
( ) ( ∆ )
Мувозанат ҳолатида = эканлигини ҳисобга олиб (7) ифодадан ёки ( ) бўйича олинган ҳосилани нолга тенглаб, нинг = бўлганда, яъни хусусий ярим ўтказгичда максимал бўлишини аниқлаймиз = = (8)
∙
Германий учун Т=300 К, = 2,8 ∙ 10 см ∙ с . Бундан
см /с

Электронларнинг Т=300 К да ўртача иссиқлик ҳаракат тезлиги тахминан 10 см/с чамасида
эфф = =10 см . Ge учун (8) формуладан ҳисоблаб топилган максимал яшаш вақти
= = 0,43
Бир нечта хусусий ярим ўтказгичлар учун хона ҳароратида ҳисобланган катталиклар 1-жадвалда келтирилган.
1-жадвал