Механизмы рекомбинации избыточных носителей заряда

Рассмотрим полупроводник, в котором в результате поглощения света создается некоторая избыточная концентрация электронов и дырок. В этом случае поглощение кванта света сопровождается разрывом валентной связи и количество генерируемых избыточных электронов и дырок одинаково: Δn=Δp.

Параллельно с процессом генерации идет процесс рекомбинации, и в стационарных условиях число электронов и дырок, возбуждаемых за единицу времени в результате разрыва валентных связей, равно числу электронов и дырок, исчезающих за это же время. Поскольку неравновесные носители через очень малое время неотличимы по энергии от равновесных , можно считать, что они имеют тот же коэффициент рекомбинации, что и равновесные носители заряда. Межзонная рекомбинация осуществляется при переходе свободного электрона из зоны проводимости в валентную зону. В зависимости от того, каким образом расходуется энергия в этом процессе межзонная рекомбинация разделяется на три типа:

если энергия, освобождающаяся в процессе рекомбинации, излучается в виде квантов света, рекомбинация называется «излучательной»;

если энергия, освобождающаяся в процессе рекомбинации, передается кристаллической решетке, т. е. расходуются на образование фононов, рекомбинация называется «безызлучательной» или фононной;

если в акте рекомбинации энергия предается третьему свободному носителю заряда, рекомбинация называется ударной или рекомбинацией Оже.

Излучательная рекомбинация

После выключения возбуждающего света концентрация электронов и дырок уменьшается. Скорость убывания числа электронов и дырок определяется разностью скоростей излучательной рекомбинации и тепловой генерации носителей заряда:

, (83)

где γ_r – коэффициент излучательной рекомбинации, n₀, p₀ – равновесные концентрации электронов и дырок в рассматриваемом полупроводнике.

Если обозначить

как характерное время жизни избыточных носителей заряда в процессе излучательной рекомбинации, то

и . (84)

Т.о., излучательное время жизни характеризует экспоненциальный спад избыточных носителей заряда в процессе излучательной рекомбинации.

Оже рекомбинация

рис.10. Процессы ударной рекомбинации или рекомбинации Оже.

Если происходит столкновение одновременно двух свободных электронов и одной дырки или двух дырок и одного свободного электрона, может иметь место рекомбинация электрона и дырки с передачей энергии третьему носителю заряда, который переходит на более высокий энергетический уровень в соответствующей зоне, становясь «горячим».

Вероятность столкновения пары электрон-дырка со свободным электроном пропорциональна n²p, а с дыркой p²n, тогда

, (85)

где α_n, α_p – коэффициенты ударной рекомбинации.

Переходя к приращениям концентраций (Δn=n-n₀, Δp=p-p₀), имеем:

, (86)

где выражения, Δn² и Δn³ – малые величины более высокого порядка при малом изменении Δn.

Из (86) следует, что постоянная времени Оже рекомбинации в этом случае составляет

, (87)

где n_i – собственная концентрация носителей заряда рассматриваемого полупроводника.