1.2 Механизмы рекомбинации.

В зависимости от механизма различают три вида рекомбинации: межзонная рекомбинация, рекомбинация через локальные центры и поверхностная рекомбинация.

Межзонная рекомбинация осуществляется при переходе свободного электрона из зоны проводимости в валентную зону, что сопровождается уничтожением свободного электрона и свободной дырки. Этот процесс совершается при соблюдении законов сохранения энергии и импульса. В зависимости от того, каким образом расходуется энергия, межзонная рекомбинация разделяется на три вида.

1. Если энергия, освобождающаяся в процессе рекомбинации, излучается в виде кванта света, мы имеем дело с излучательной (фотонной) рекомбинацией.

2. Если энергия свободного электрона расходуется на образование фононов, рекомбинация называется фононной – безызлучательной.

3. В Оже рекомбинации могут принимать участие три носителя: свободная энергия передается свободному электрону или дырке. Этот тип рекомбинации называется ударной рекомбинацией или рекомбинацией Оже.

Если в полупроводнике имеются дефекты, энергетические уровни которых находятся в запрещенной зоне, наряду с межзонной рекомбинацией может идти процесс рекомбинации через локальные центры. Суть этого процесса состоит в том, что нейтральный центр (ловушка) может захватить, например, электрон из зоны проводимости, который через некоторое время перейдет в валентную зону, что эквивалентно захвату отрицательной ловушкой дырки из валентной зоны.

В соответствии со способом расходования энергии при переходе электрона на более низкий энергетический уровень рекомбинация через центры захвата может быть излучательной, фононной или ударной.

Рекомбинация носителей заряда, протекающая на поверхности полупроводника, называется поверхностной рекомбинацией. Поверхностная рекомбинация происходит через локальные поверхностные уровни.

Относительная важность различных механизмов рекомбинации в значительной степени зависит от отношения ширины запрещенной зоны и тепловой энергии kT и от концентрации дефектов, создающих энергетические уровни в запрещенной зоне полупроводникового материала.

Прямая рекомбинация играет существенную роль лишь в полупроводниках с малой запрещенной зоной и при достаточно высоких температурах. В полупроводниках с большой шириной запрещенной зоны преобладающим механизмом является рекомбинация через ловушки.

Рис. 1. Переходы электронов, связанные с рекомбинацией через локальные центры.

Пусть концентрация ловушек равна N_t, а их энергетический уровень E_t лежит вблизи центра запрещенной зоны. Возможны следующие процессы, проиллюстрированные на Рис. 1. Нейтральная ловушка захватывает электрон из зоны проводимости, приобретая отрицательный заряд (1). Затем электрон с уровня ловушки переходит в валентную зону, что эквивалентно захвату отрицательно заряженной ловушкой дырки (переход 2).

При снижении концентрации свободных дырок вероятность второго процесса уменьшается и возможен обратный переброс электрона с ловушки в зону проводимости (переход 3). Этот переход может происходить за счет тепловой, световой или ударной ионизации.

Если материал содержит большое количество свободных дырок, они интенсивно захватываются ловушкам, т.е. электроны переходят с центра рекомбинации в валентную зону (переход 4), а затем происходит захват электрона из зоны проводимости (5). При малой концентрации электронов возможен возврат дырки в валентную зону (6).

Дефект, захватывающий последовательно электрон и дырку и приводящий к рекомбинации пары свободных носителей заряда, называется центром рекомбинации или рекомбинационной ловушкой.