53) Механизмы рекомбинации.

Процессы рекомбинации удобно разделить на два класса: 1) пря­мую рекомбинацию зона — зона и 2) рекомбинацию с участием примесей и дефектов. В первом случае свободный электрон из зоны проводимости рекомбинирует со свободной дыркой в валентной зоне в одном элементарном акте. В процессах второго класса сво­бодные электроны рекомбинируют со связанными дырками на при­месях или дефектах, а свободные дырки — со связанными электро­нами. Мы остановимся сначала на прямой рекомбинации зона —зона.

При переходе электрона из зоны проводимости в валентную зону всегда должны выполняться законы сохранения энергии и квазиимпульса. Поэтому если Е' и к' — энергия и квазиволновой вектор электрона в начальном состоянии в зоне проводимости, а Е и к — их значения в конечном состоянии в валентной зоне, то должны выполняться соотношения

E'(k') = E(k) + ΔE, (1.1)

ћk' = ћк + Δр. (1.2)

Здесь ΔE и Δр—энергия, освобождаемая в элементарном акте рекомбинации и, соответственно, изменение квазиимпульса элек­трона при переходе. Поскольку квазиимпульсы в начальном и конеч­ном состояниях системы должны лежать в пределах первой зоны Бриллюэна, правая часть уравнения (1.2) может содержать еще слагаемое ћb, которое мы не выписываем. Прямая рекомбинация электрона и дырки возможна только в тех случаях, когда от электрона может быть отведена освобождающаяся энергия ΔE и обеспечено изменение квазиимпульса Δр, определяемые законами сохранения (1.1) и (1.2).

Процессы, обеспечивающие выполнение законов сохранения, могут быть различны. Это может быть испускание кванта электро­магнитного излучения — фотона определенной частоты со, тогда:

ΔE = ћω, |Δр| = ћω/c. (1.3)

В этом случае мы говорим об излучательной рекомбинации. Избы­точные энергия и квазиимпульс могут быть переданы колебаниям решетки, или фононам. Известны и процессы, при которых энер­гия и квазиимпульс, освобождаемые при рекомбинации, передаются третьей свободной частице — электрону (в электронных полупро­водниках) или дырке (в дырочных полупроводниках). Процессы такого типа получили название ударной рекомбинации (или Оже-рекомбинации). Очевидно, что вероятность таких процессов воз­растает при увеличении концентрации носителей заряда, и поэтому ударная рекомбинация проявляется обычно в сильно легированных полупроводниках. Принципиально возможны и другие типы эле­ментарных актов рекомбинации. В случаях, когда фотоны не участвуют в обмене энергией и квазиимпульсом, говорят о безызлучательной рекомбинации.

54) Излучательная и безызлучательная рекомбинация.

РЕКОМБИНАЦИЯ носителей заряда в полупроводниках - исчезновение пары свободных противоположно заряженных носителей в результате перехода электрона из энергетич. состояния в зоне проводимости в незанятое энергетич. состояние в валентной зоне. При Р. выделяется избыточная энергия порядка ширины запрещённой зоны . Различают излучательную и безызлучательную Р. Первая сопровождается излучением светового кванта с энергией . При безызлучательной Р. избыточная энергия может непосредственно передаваться решётке путём возбуждения её колебаний (фононная безызлучательная Р.) пли рекомбинирующий электрон посредством кулоновского взаимодействия может передать энергию др. электрону зоны, переводя его в высокоэнергетич. состояние (оже-рекомбинация).

При безызлучательной фононной Р. электрону для выделения энергии ~ требуется возбудить в одном акте неск. десятков фононов, т. к. обычно в полупроводниках ~ 1-2 эВ, а макс. энергия фонона составляет сотые эВ. Такие многофононные перехо-ды имеют ничтожно малую вероятность. Любая возможность передать избыточную энергию решётке не в одном акте, а в неск. последовательных актах на много порядков увеличивает вероятность Р. Эта возможность реализуется на примесных центрах или дефектах кристаллич. структуры, к-рые образуют уровни в запрещённой энергетич. зоне.

Излучательная и оже-Р. также могут протекать с участием примесных центров. Однако обычно эти процессы осуществляются непосредственно как прямые переходы зона проводимости - валентная зона. При пзлучательной Р. зона - зона законы сохранения энергии и импульса приводят к тому, что энергия светового кванта, т. к. кинетич. энергии электрона и дырки много меньше . В то же время импульс кванта очень мал, так что электрон и дырка аннигилируют с противоположными импульсами b k (рис. 1).

Рис. 1. Излучательная рекомбинация зона - зона в прямо-зонном полупроводнике.

Вследствие этого в непрямозонных полупроводниках (Ge, Si) в обычных условиях Излучательная Р. идёт только с участием примесей или колебаний решётки и имеет меньшую, чем в прямозонных полупроводниках (GaAs, InSb), вероятность.

Число актов излучательной Р. в 1 с в единице объёма равно

где n, p - концентрации электронов и дырок, a наз. коэф. излучательной Р. Сечение излучательной Р. s связано с a соотношением , где - ср. тепловая скорость электрона. В прямозонных полупроводниках при Т = 300 К s = 10^-16 : 10^-18 см², в непрямозонных - 10^-21 : 10^-22 см².