16. Генерация и рекомбинация носителей.

В простейшем случае рекомбинация носителей представ­ляется как переход электрона из зоны проводимости сразу в валентную зону. Такой процесс прямой рекомбинации требует, чтобы в момент рекомбинации электрон и дырка имели одинаковые координаты и равные по величине, но противоположные по направлению импульсы. Одновременное выполнение этих двух условий для большинства полу­проводниковых материалов маловероятно. В наиболее распространенных полупроводниковых матери­алах германия и кремния более вероятен процесс рекомбина­ции носителей на ловушках или, что то же самое, на центрах рекомбинации. Наличие таких ловушек связано с наличием в реальных полупроводниковых материалах посторонних (по­мимо доноров и акцепторов) примесных атомов и различно­го рода дефектов кристаллической решетки, которые созда­ют вблизи середины запрещенной зоны полупроводника ло­кальные энергетические уровни - Е_t. (рис. 1.22). Эти локаль­ные уровни оказывают влияние на протекание процессов рекомбинации и генерации носителей.

Рис. 1.22. Генерация и рекомби­нация носителей на ловушках

При рекомбинации сво­бодный электрон захватывает­ся нейтральной ловушкой, а затем отрицательно заряжен­ная ловушка захватывает дыр­ку. Этому процессу на зонной диаграмме соответствует пере­ход электрона из зоны прово­димости на уровень ловушки Е_t а затем с уровня ловуш­ки— в валентную зону (про­цесс I на рис. 1.22). При рекомбинации носителей через уровни ловушек необяза­тельно выполнение условия одновременного равенства координат и импульсов рекомбинирующих электронов и дырок, так как захват ловушкой электрона и дырки разделен во времени и избыточная энергия носителей может быть рассеяна на ловушках. Поэтому ловушечный механизм рекомбинации более вероятен, чем механизм прямой реком­бинации. При наличии уровней ловушек генерация свободных но­сителей может происходить путем перехода электрона из валентной зоны на уровень ловушки, а затем в зону прово­димости (процесс II на рис. 1.22). Так как при этом энер­гию, равную ширине запрещенной зоны, электрон может приобретать частями, то ловушки в полупроводнике облег­чают не только рекомбинацию, но и генерацию носителей. Время жизни носителей определяется как соотношением концентраций носителей заряда, так и концентрацией и свой­ствами центров рекомбинации. В относительно сильнолеги­рованных полупроводниках время жизни носителей определяется временем жизни неосновных носителей. Haпример, в сильнолегированном донорном полупроводнике из-за высокой концентрации электронов почти все ловушки оказываются заполненными и интенсивность рекомбинации определяется интенсивностью захвата дырок заполненными ловушками, т.е. в донорном полупроводнике . Анало­гично в сильнолегированном акцепторном полупроводнике наличие большого числа дырок приводит к немедленному освобождению занятых электронами ловушек, и интенсив­ность рекомбинации определяется интенсивностью захвата свободными ловушками электронов, т.е. . С уменьше­нием концентрации основных носителей время жизни носите­лей возрастает, достигая максимума для собствен­ного полупроводника. Это связано как с уменьше­нием интенсивности за­полнения ловушек при понижении концентрации электронов, так и с умень­шением интенсивности освобождения ловушек, заполненных электронами, при понижении кон­центрации дырок. Зависимость времени жизни носителей от соотношения концентраций электронов и дырок показана на рис. 1.23. Величины и определяются свойствами центров рекомбинации и обратно пропорциональны их кон­центрации.

Рис. 1.23. Зависимость времени жизни носителей от концентрации носителей

При относительно малых концентрациях неравновесных носителей наличие этих носителей в полупроводнике не из­меняет интенсивности заполнения и освобождения ловушек и время жизни неравновесных носителей определяется вре­менем жизни равновесных носителей, например, величиной или в сильнолегированных полупроводниках. При безграничном увеличении концентрации неравновесных носите­лей время их жизни стремится к величине

Помимо рекомбинации в объеме, происходит рекомбина­ция носителей и на поверхности кристалла полупроводника. Причем интенсивность поверхностной рекомбинации может быть повышенной из-за повышенной концентрации ловушек на поверхности, так как поверхность сама по себе является дефектом правильной структуры кристалла полупроводника и на ней в первую очередь могут оказаться различного рода примесные атомы, образуются окислы и т. д. Однако разде­лять поверхностную и объемную рекомбинации часто оказы­вается неудобным. Поэтому полупроводниковые материалы обычно характеризуют единым, так называемым эффектив­ным временем жизни носителей , которое определяется со­отношением

где и — соответственно объемное и поверхностное вре­мена жизни.