Генерация и рекомбинация носителей зарядов.

Генерация носителей заряда (образование свободных электронов и дырок) происходит при воздействии теплового хаотического воздействия атомов кристаллической решетки (тепловая генерация), при воздействии поглощенных полупроводником квантов света (световая генерация) и других энергетических факторов. Так как полупроводник всегда находится под воздействием всех этих факторов или хотя бы одного (Т ¹ 0), генерация носителей происходит непрерывно.

Одновременно с генерацией в полупроводнике происходит и обратный процесс – рекомбинация носителей заряда (возвращение электрона из зоны проводимости в валентную зону и исчезновение пары носителей заряда). В состоянии термодинамического равновесия процессы генерации и рекомби-нации заряда взаимно уравновешены. При этом в полупроводнике сущест-вует равновесная концентрация электронов n₀ и равновесная концентрация дырок p₀. При воздействии на полупроводник нетеплового внешнего энерге-тического фактора (света, сильного электрического поля и др.) генерируют-ся новые носители заряда, возникает избыточная (неравновесная) концент-рация ∆_n или ∆_р. Таким образом:

(3.4.1)

Механизмы рекомбинации могут быть различны. Межзонная или не-посредственная рекомбинация происходит при переходе свободного элект-рона из зоны проводимости в валентную зону на один из свободных энерге-тических уровней, что соответствует исчезновению пары носителей заряда. Однако такой процесс мало вероятен, так как свободный электрон и дырка должны оказаться одновременно в одном и том же месте кристалла. Кроме того рекомбинация электрона и дырки в этом случае возможна только при одинаковых, но противоположно направленных импульсах электрона и дырки.

Рекомбинация с участием рекомбинационных ловушек (более вероят-на) протекает в два этапа.

На первом этапе рекомбинационная ловушка (или энергетический уровень рекомбинационной ловушки) захватывает, например, электрон из зоны проводимости. Таким образом, электрон выбывает из зоны электропроводности. В этом состоянии ловушка будет находиться до тех пор, пока к ней не подойдет дырка, или другими словами, пока в данном месте кристалла не окажется свободный энергетический уровень валентной зоны. При выполнении этих условий осуществляется второй этап рекомбинации – электрон перейдет на свободный уровень валентной зоны.

Двухэтапный процесс рекомбинации более вероятен, так как он не требует одновременного присутствия в данном месте кристалла электрона и дырки.

На рис. 3.4.1 схематически изображены механизмы регенерации и ре-комбинации электронов и дырок.

Роль рекомбинационных ловушек могут выполнять примесные атомы или ионы, различные включения в кристалле, незаполненные узлы кристал-лической решетки и другие несовершенства объема или поверхности.

В связи с тем, что на поверхности кристалла перечисленных дефектов значительно больше, чем в объеме, процесс рекомбинации на поверхности должен идти значительно интенсивнее. Его рассматривают и оценивают обычно отдельно, считая поверхностную рекомбинацию разновидностью рекомбинации с участием рекомбинационных ловушек.

В зависимости от того, как расходуется энергия, освобождающаяся при рекомбинации электроны и дырки, рекомбинацию можно подразделить на два вида.

· Излучательной рекомбинацией называют рекомбинацию, при которой энергия, освобождающаяся при переходе электрона на более низкий энергетический уровень, излучается в виде кванта света (фотона).

· При безызлучательной (фононной) рекомбинации избыточная энер-гия электрона передаётся кристаллической решетке полупроводника, то есть избыточная энергия идет на образование фононов – квантов тепловой энергии.

Скорость генерации носителей V_ген (как и скорость рекомбинации V_рек) определяется свойствами полупроводника и его температурой. Скорость рекомбинации кроме того, пропорциональна концентрации электронов и дырок, так как чем больше количество носителей, тем вероятнее, что их встреча завершится рекомбинацией. Учитывая, что в установившемся режиме должно существовать динамическое равновесие, получим:

V_ген = V_рек = r n_i p_i = r n_i², (3.4.2)

где r - множитель, определяемый свойствами полупроводника.

Это условие называют условием равновесной концентрации носителей в собственном полупроводнике. При отсутствии внешнего электрического поля электроны и дырки перемещаются в кристалле хаотически. В этом случае ток в полупроводнике не возникает.