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.

Впроцессе 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 – рекомбинациивыделяемая энергия передается другому электрону или дырке. Это процесс отличается от рассмотренных видов рекомбинации тем, что наличие третьей частицы сильно влияет на скорость рекомбинации.

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.