3.3. Генерация и рекомбинация носителей заряда

Образование свободных электронов и дырок – генерация носи­телей заряда – происходит при воздействии теплового хаотиче­ского движения атомов кристаллической решетки (тепловая ге­нерация), при воздействии поглощенных полупроводником квантов электромагнитного излучения (фотонная генерация) и других энергетических факторов. Так как полупроводник всегда находится под действием всех этих факторов или хотя бы одного (T ≠ 0), генерация носителей происходит непрерывно [16].

Одновременно с генерацией в полупроводнике непрерывно происходит и обратный процесс – рекомбинация носителей заряда, т.е. возвращение электронов из зоны проводимости в ва­лентную зону, в результате чего исчезает пара носителей заряда. В состоянии термодинамического равновесия процессы генерации и рекомбинации носителей заряда взаимно уравновешены. При этом в полупроводнике существуют равновесные концентрации электронов n₀ и дырок р₀.

При воздействии на полупроводник нетеплового внешнего энергетического фактора (света, сильного электрического поля и др.) из-за генерации новых носителей заряда их концентрация n и р (неравновесная концентрация) будет превышать равновес­ную концентрацию на величину ∆n (или ∆р), которую называют избыточной концентрацией. Таким образом,

∆n = n – n₀ ; ∆р = р – р₀.

Избыточная концентрация носителей заряда может возникать в отдельных областях полупроводниковой структуры прибора не только в результате внешних энергетических воздействии, но и за счет различных процессов (инжекции, экстракции, ударной ионизации), которые могут происходить в полупроводниковых приборах.

Механизмы рекомбинации могут быть различны (рисунок 3.4).

Межзонная, или непосредственная рекомбинация происходит при переходе свободного электрона из зоны проводимости в валентную зону на один из свободных энергетических уровней, что соответствует исчезновению пары носителей заряда – свободного электрона и дырки. Однако такой процесс межзонной рекомбинации маловероятен, так как свободный электрон и дырка должны оказаться одновременно в одном и том же месте кристалла. Кроме того, должен выполняться закон сохранения им­пульса, т. е. рекомбинация электрона и дырки возможна только при одинаковых, но противоположно направленных импульсах электрона и дырки. Поэтому, например, в германии на 10 тыс. рекомбинаций лишь одна происходит в результате межзонной рекомбинации.

Рисунок 3.4 - Различные механизмы генерации и рекомбинации носителей заряда:

а – межзонная генерация и рекомбинация; б – генерация и рекомбинация с участием пустых рекомбинационых ловушек; в – генерация и рекомбинация с участием заполненных электронами рекомбинациониых ловушек; ———— – условное обозначение генерации; - - - - - – условное обозначение рекомбинации. Цифры означают этапы процессов генерации и рекомбинации

Рекомбинация с участием рекомбинационных ловушек или рекомбинация Шокли-Холла-Рида 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 процесса 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 рекомбинаций – электрон переходит на свободный уровень валентной зоны (что эквивалентно захвату дырки из валентной зоны отрицательно заряженной ловушкой).

Двухэтапный процесс рекомбинации более вероятен, так как он не требует одновременного присутствия в данном месте кристалла свободного электрона и дырки. Рекомбинационная ло­вушка воспринимает количество движения, необходимое для соблюдения закона сохранения импульса, и может забрать часть энергии, освобождаемой в процессе рекомбинации.

Роль рекомбинационных ловушек могут выполнять примесные атомы или ионы, различные включения в кристалле, незапол­ненные узлы кристаллической решетки, дислокации 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 электрона 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 энергия электрона передается кристаллической решетке полупро­водника, т. е. избыточная энергия идет на образование фононов – квантов тепловой энергии.

Наряду с указанными видами рекомбинации при больших концентрациях электронов или дырок в полупроводниках вступает в действие еще один механизм рекомбинации (Оже-рекомбинация, Auger), при этом происходит столкновение одновременно двух свободных электронов и одной дырки или двух дырок и одного электрона, в результате чего имеет место рекомбинация электрона и дырки и переход третьего носителя на более высокий уровень энергии в соответствующей зоне. Этот третий носитель в результате столкновений с решеткой передает ей избыточную энергию и приходит в равновесное состояние с решеткой.