Генерация и рекомбинация носителей

Рекомбинация и генерация носителей

Рекомбинация электронов и дырок
Взаимодействие электрона и дырки может приводить к их рекомбинации, в результате которой электрон возвращается в валентную зону. При рекомбинации электрона и дырки оба они исчезают из соответствующих зон, т.е. происходит их аннигиляция.
В
процессе рекомбинации выделяется энергия, равная разности между исходным и конечным энергетическими состояниями электрона. Характер выделения энергии служит одним из критериев классификации процессов рекомбинации. Рекомбинация называется излучательной, если разность энергий выделяется в виде фотона и безизлучательной, если энергия передается одному или нескольким фононам или при Оже – рекомбинации, когда энергия, освобождаемая при рекомбинации двух носителей тока, передается третьему носителю – электрону или дырке. Характер излучательной рекомбинации приведен на рис.1.
При другой классификации механизмов рекомбинации исходят из энергетических уровней рекомбинирующих частиц и частиц, участвующих в процессе рекомбинации. Некоторые из процессов рекомбинации иллюстрируются на рис.2.

Рис.2. Механизмы рекомбинации в полупроводниках.

При рекомбинации “зона - зона” электрон переходит напрямую из зоны проводимости в вакантное место в валентной зоне – в дырку. Обычно такой процесс является излучательным и имеет место, как правило, в полупроводниках с прямой запрещенной зоной.

Рекомбинация через центры рекомбинации – генерации происходит с участием “ловушки”. Ловушкой является примесный атом или иной структурный дефект кристалла, создающий энергетический уровень в запрещенной зоне. Если ловушка занята электроном, то она уже не может захватить второй электрон. Электрон, занявший ловушку, может перейти в вакантное состояние в валентной зоне, завершив, тем самым, процесс рекомбинации. Таким образом, рекомбинация через ловушки носит двухступенчатый характер. Мы вернемся к нему при рассмотрении рекомбинации Шокли –Рида-Холла (Shockley-Read-Hall (SRH) recombination).
При Оже – рекомбинации выделяемая энергия передается другому электрону или дырке. Это процесс отличается от рассмотренных видов рекомбинации. Оже -рекомбинация включает три частицы – две рекомбинирующие по механизму “зона-зона” и третью, получающую энергию.
Каждый из указанных видов рекомбинации является обратимым в том смысле, что посредством рассмотренных механизмов может осуществляться и генерация носителей. Поэтому при их математическом описании используются одни и те же соотношения и для генерации, и для рекомбинации.
Простая модель процесса генерации-рекомбинации предполагает, что скорость генерации-рекомбинации пропорциональна избыточной концентрации. Тогда для скорости генерации-рекомбинации электронов в полупроводнике p-типа можно записать

и аналогично, для дырок в полупроводнике n-типа

где параметры могут быть интерпретированы как среднее время, в течение которого существует избыточная концентрация неосновных носителей.
Можно показать, что скорость рекомбинации неосновных носителей при различных механизмах может быть сведена к этим соотношениям в “квазинейтральном полупроводнике”. Скорость рекомбинации основных носителей равна скорости рекомбинации неосновных носителей, поскольку в стационарных условиях рекомбинация происходит парами носителей. Поэтому скорость рекомбинации основных носителей зависит от концентрации неосновных носителей. Концентрация избыточных неосновных носителей ограничивает скорость рекомбинации основных носителей.
Рекомбинация в обедненных слоях, когда концентрации дырок и электронов примерно равны друг другу, не подчиняется этой простой модели, а описывается более сложными соотношениями.
Скорость рекомбинации во всех рассмотренных механизмах в общем случае отличается от рассмотренной скорости генерации-рекомбинации в “квазинейтральном полупроводнике”. Рассмотрим эти процессы подробнее.