5.4. Механизмы рекомбинации

Механизмы рекомбинации можно классифицировать как по виду перехода электрона из зоны проводимости в валентную зону, так и по способу передачи энергии рекомбинирующих частиц.

Механизмы перехода электрона из зоны проводимости в валентную зону:

1)прямая рекомбинация;

2)рекомбинация через ловушки;

3)поверхностная рекомбинация.

В первом случае частицы рекомбинируют в результате непосредственной встречи свободных электрона и дырки. На зонной диаграмме это соответствует переходу электрона из зоны проводимости непосредственно на свободный уровень в валентной зоне, поэтому прямая рекомбинация называется также межзонной.

Рекомбинация через ловушки связана с наличием разрешенных энергетических уровней в запрещенной зоне. Такие уровни возникают в результате нарушения периодической структуры кристалла примесными атомами, вакансиями, точечными дефектами, дислокациями и т.д. Локальные состояния в запрещенной зоне могут захватывать свободные носители заряда, поэтому их называют ловушками. При рекомбинации

через ловушки происходит захват, напри- E мер, сначала электрона, а потом дырки (рис.5.3). При этом исчезает пара свобод-

аных носителей заряда. Процесс рекомби-

рекомбинации, определяемой как количество носителей в единице объема полупроводника, рекомбинирующих в единицу времени на единице поверхности.

Скорость поверхностной рекомбинации изменяется в больших пределах. Типичные значения для кремния составляют 102 - 104 см/с и более. На омическом контакте полупроводника с металлом скорость поверхностной рекомбинации принимается равной бесконечности, а избыточная концентрация - равной нулю.

Механизм передачи энергии рекомбинирующих частиц. При рекомбинации электрон переходит с высокого энергетического уровня на более низкий. При этом должны выполняться законы сохранения энергии и квазиимпульса:

где E(к), hк , E p (кp ), hкp - соответственно энергия и квазиим-

пульс электрона и дырки; δE - энергия, выделяемая при рекомбинации; δp - изменение квазиимпульса при переходе.

Как следует из выражений (5.15), (5.16), законы сохранения требуют участия в рекомбинации, кроме электрона и дырки, по крайней мере, еще одной частицы, забирающей на себя энергию рекомбинации и разность квазиимпульсов. Наибольший интерес представляют процессы с передачей энергии фотонам, фононам, свободным электронам и дыркам. Это позволяет выделить следующие основные типы рекомбинации.

Излучательная или фотонная рекомбинация играет важную роль в полупроводниках, у которых экстремумы в валентной зоне и зоне проводимости расположены при одном значении квазиволнового вектора к (рис.5.5,а). Такие полупроводники называют прямозонными. К ним относятся, например, GaAs, InP, InAs, InSb, имеющие экстремумы зон при значении к = 0.

При излучательной рекомбинации энергия выделяется в виде квантов электромагнитного излучения, т.е. передается фотонам. При этом легко выполняется закон сохранения энергии, поскольку всегда найдется фотон с энергией ħω = δЕ. С другой стороны, поскольку импульс фотона близок к нулю, в излучательной рекомбинации могут принять участие только электроны и дырки, имеющие практически равные по

103

зиимпульсааконасохране. Однакоия квазиимпульсарекомбинация.с участием четырех частиц (электрона, дырки, фотона и фонона) имеет значительно меньшую вероятность.

С увеличением концентрации носителей заряда вероятность излучательной рекомбинации растет. Поэтому ее легче наблюдать в полупроводниках с узкой запрещенной зоной и при высоких температурах.

Фононная рекомбинация является одним из видов безызлучательной рекомбинации, при которой выделяющаяся энергия передается непосредственно решетке. Основная трудность интерпретации фононной рекомбинации заключается в том, что энергия, выделяющаяся при захвате на ловушку или при переходе зона-зона, не может быть поглощена одним фононом. Для этого требуется 10 и более фононов, что делает такой процесс чрезвычайно маловероятным.

Фононную рекомбинацию объясняет модель каскадного испускания фононов. Согласно ей каждый примесный центр приводит к появлению в запрещенной зоне целой серии уровней - основного (наиболее глубокого) и нескольких более мелких, соответствующих возбужденному состоянию примеси. При рекомбинации электрон (или дырка) первоначально захватывается на возбужденный уровень, расположенный вблизи края запрещенной зоны. При этом испускается один фонон. Затем следует каскадный процесс однофононных переходов на более низкие уровни, в результате которых захваченный электрон переходит в основное состояние. Таким образом, энергия рекомбинации разбивается на порции, и обеспечивается выполнение закона сохранения энергии.

Фононная рекомбинация наблюдается в не сильнолегированных полупроводниках.

Ударная рекомбинация, или рекомбинация Оже, является про-

цессом, обратным ударной ионизации. При этом механизме рекомбинации выделяющаяся энергия передается свободному носителю, который

104