3.5. Вплив поверхневої рекомбінації на час життя нерівноважних носіїв заряду

Наявність поверхневої рекомбінації впливає на час життя  нерівноважних носіїв заряду в об’ємі напівпровідникового кристалу. Особливо істотним цей вплив є у випадку тонких плівок. Тонкими вважаються платівки (плівки), товщина d яких не набагато перевищує довжину дифузійного зміщення носіїв заряду L_n,p. Тому для різних матеріалів умова різна.

Внаслідок впливу поверхневої рекомбінації експериментально виміряні значення величини  можуть істотно відрізнятися від часу життя нерівноважних носіїв _об для товстих зразків, коли виконується умова . У випадку тонких платівок експериментально отримане значення _еф дорівнює деякому ефективному часу життя, який залежить від величини параметра S та товщини платівки. Для тонких платівок з не дуже великим значенням параметра S, коли виконується умова

,

взаємозв’язок між _еф і _об визначається так:

(3.42)

Тут D – коефіцієнт біполярної дифузії носіїв заряду у напівпровіднику.

При великих значеннях швидкості поверхневої рекомбінації, коли

,

величина _еф визначається за формулою:

. (3.43)

Фізичний зміст виразу (3.43) полягає у тому, що у випадку дуже великих швидкостей поверхневої рекомбінації кількість актів рекомбінації нерівноважних носіїв на одиниці площі поверхні за одиницю часу визначається не “пропускною здатністю” центрів рекомбінації, а швидкістю дифузії нерівноважних носіїв з об’єму до поверхні напівпровідника. Вирази (3.42) та (3.43) вірні для тонких платівок, не обмежених розмірами, які визначають довжину ( ) та ширину (b) платівки. Вони можуть бути добрим наближенням при таких співвідношеннях між розмірами платівок:

. (3.44)

Якщо співвідношення (3.44) не виконується, то значення _еф визначають за формулами:

(3.45)

та

. (3.46)

Наведені співвідношення для величини _еф свідчать про адитивність процесів поверхневої та об’ємної рекомбінації. Ефективний час життя враховує обидва ці процеси і є важливим рекомбінаційним параметром, що описує нерівноважні процеси у тонких кристалах. Значення _еф можна знайти експериментально як час релаксації нерівноважної провідності у тонких зразках.

Контрольні запитання

1. Які носії заряду називаються нерівноважними?

2. Поясніть основні механізми генерування нерівноважних носіїв заряду.

3. Визначте різницю між поверхневими центрами рекомбінації та прилипання.

4. Поясніть фізичний зміст зворотних теплових переходів захоплених домішковими центрами носіїв заряду.

5. Які параметри використовують для того, щоб описати основні фізичні властивості поверхневих центрів захоплення нерівноважних носіїв заряду та їх класифікації?

6. Поясніть механізм поверхневої рекомбінації нерівноважних носіїв заряду.

7. Покажіть на енергетичній діаграмі області розташування рівнів прилипання та рівнів рекомбінації у забороненій зоні напівпровідника.

8. Що таке темп поверхневої рекомбінації?

9. Запишіть вирази для повного (результуючого) потоку електронів і дірок U_n і U_p з об’єму напівпровідника до поверхні і поясніть їх фізичний зміст.

10. Поясніть фізичний зміст поняття “швидкість поверхневої рекомбінації”.

11. Як впливає спосіб обробки поверхні напівпровідника на швидкість поверхневої рекомбінації?

12. Запишіть вирази для ефективного часу життя нерівноважних носіїв заряду для випадків малих та великих значень швидкості поверхневої рекомбінації.

13. Чому при великих швидкостях поверхневої рекомбінації ефективний час життя не залежить від величини швидкості поверхневої рекомбінації?

14. Поясніть спектральну залежність фоточутливості напівпровідника у випадку збудження нерівноважних носіїв заряду світлом з енергією фотонів, що відповідає області власного поглинання (h  E_g).