Механизмы передачи энергии рекомбинирующих частиц

По способу передачи энергии рекомбинирующих частиц можно выделить несколько типов рекомбинации.

1) Излучательная. или фотонная рекомбинация играет важную роль в полупроводниках, у которых экстремумы валентной зоны и зоны проводимости расположены при одном значении квазиимпульса . К таким полупроводникам относятся, например, полупроводниковые соединения типа A_IIIB_V: GaAs, InP, InSb, имеющие экстемумы зон при значениях импульса . При излучательной рекомбинации энергия выделяется в виде фотонов, при этом может происходить свечение кристалла. Сечение рекомбинации такого типа невелико и составляет приблизительно 10^-21 см². Поэтому излучательную рекомбинацию легче наблюдать в полупроводниках с небольшой запрещенной зоной и при высоких температурах, т.е. когда концентрация носителей достаточно велика.

2) Фононная рекомбинация является, одним из видов безызлучательной рекомбинации, при которой выделяющаяся энергия превращается в тепло. При фононной рекомбинации энергия частиц передается непосредственно кристаллической решетке. Основная трудность интерпретации фононной рекомбинации заключается в том, что выделяющаяся в каждом акте рекомбинации энергия порядка ширины запрещенной зоны полупроводника (то есть около одного - двух эВ) не может быть поглощена одним фононом. В то же время процесс, сопровождающийся передачей энергии сразу большому числу фононов, чрезвычайно маловероятен. В модели каскадного испускания фононов предполагается, что каждый примесный центр обладает, кроме основного (наиболее глубокого),целой серией более мелких уровней, соответствующих возбужденному состоянию примеси. При рекомбинации электрон (или дырка) первоначально захватывается на возбужденный уровень, расположенный вблизи края разрешенной зоны. При этом испускается один фонон. Затем электрон, как по лестнице, последовательно переходит на более глубокие состояния. Таким образом, энергия рекомбинации разбивается на малые порции, что облегчает процесс рекомбинации.

Сечение захвата для фононной рекомбинации соcтавляет 10^-15 – 10^-17 см². Каскадный механизм осуществляется в слабо легированных полупроводниках.

3) Ударная рекомбинация или рекомбинация Оже - процесс, обратный процессу ударной ионизации. При этом типе рекомбинации освобождающаяся энергия передается свободному носителю заряда, находящемуся в данный момент времени вблизи рекомбинирующей пары носителей. Носитель резко увеличивает энергию и становится "горячим", то есть переходит, например, много выше дна зоны проводимости, после чего быстро отдает энергию, взаимодействуя с решеткой (создавая фононы) или другими носителями заряда. Сечение захвата при ударной ионизации пропорционально концентрации носителей заряда. Если концентрация свободных носителей мала, то мала вероятность нахождения свободного носителя вблизи рекомбинирующей пары и мала вероятность передачи ему энергии. Поэтому ударная рекомбинация наиболее ярко проявляется в сильнолегированных полупроводниках.

4) При плазменной рекомбинации освобождающаяся энергия тратится на возбуждение колебаний электронно-дырочной плазмы. Кванты колебаний плазмы называются плазмонами. Этот тип рекомбинации был исследован В.Л.Бонч-Бруевичем, показавшим, что такой механизм маловероятен при рекомбинации на мелких ловушках, так как освбождащаяся энергия недостаточна для возбуждения плазмонов. При рекомбинации на глубоких ловушках характерное сечение захвата составляет 10^-15 см², то есть этот механизм достаточно вероятен. Плазменный механизм может осуществляться только в сильнолегированных полупроводниках с концентрацией носителей не менее 10¹⁸ см^-3,

5) Экситонная рекомбинация состоит в том, что освобождающаяся энергия идет на образования экситона – квазичастицы, соответствующей электронному возбуждению в кристалле полупроводника, но не связанному с переносом заряда и массы. Экситон – это такое возбуждение электрона в валентной зоне, при котором он не переходит в зону проводимости, а образует с дыркой связанную квазичастицу, обладающую нулевым спином, так как электрон и дырка имеют антипараллельные спины. Такую квазичастицу можно представить как возбужденное состояние атома кристалла, которое передаются от атома к атому посредством квантовомеханического резонанса. Через некоторое время экситон разрушается, и дальнейшая рекомбинация описывается фононным или фотонным механизмом. Таким образом, при экситонной рекомбинации электрон и дырка образуют экситон в качестве промежуточного связанного состояния. Из-за малой величины энергии связи экситоны и экситонная рекомбинация наблюдаются только при очень низких температурах.