Рекомбинация носителей заряда в полупроводниках. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

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 (см. Полупроводники ).При Р. выделяется избыточная энергия порядка ширины запрещённой зоны

. Различают излучательную и безызлучатель-ную Р. Первая сопровождается излучением светового кванта с энергией

(см. Рекомбинационное излучение). При безызлучательной Р. избыточная энергия может непосредственно передаваться решётке путём возбуждения её колебаний (фононная безызлучатель-ная 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 (см. Рекомбинационные центры).

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.

При оже-Р. взаимодействуют 3 частицы, энергия ре-комбинирующей пары передаётся либо электрону, либо дырке. Число актов Р. в 1 с в этих случаях равно

где a_Э, a_Д - коэф. электронной и дырочной оже-Р. "Уходящий" носитель уносит энергию порядка

и соответственно имеет большой импульс ~

(т - его эффективная масса ).Вследствие закона сохранения импульса суммарный нач. импульс 3 частиц должен быть достаточно большим, а следовательно, достаточно большой должна быть и их суммарная кинетич. энергия. Этот факт приводит к существованию энергетич. порога оже-Р. Обычно в полупроводниках эфф. масса электрона больше эфф. массы дырок (т_э

m_д). При этом мин. энергетич. порог оже-Р.

достигается, когда большой импульс вносит тяжелая дырка. Если тепловая энергия носителей kT <

, то коэф. Р.

Однако в ряде полупроводников благодаря особенностям зонной структуры порог отсутствует. Напр., в GaSb и In As беспороговым является процесс, в к-ром избыточная энергия уносится дыркой, переходящей из зоны тяжёлых дырок в спиново отщеплённую зону (рис. 2). Без порога протекает также оже-Р. с участием примесей или фононов, к-рым может быть передан большой импульс. В непрямозонных полупроводниках оже-Р. возможна только такого типа. Вследствие сильной концентрационной зависимости оже-Р. становится существенной при высокой концентрации свободных носителей. Обычно s ~ 10¹⁸ см^-3.

Безызлучательная Р. через примесные центры описывается статистич. теорией Шокли - Рида. Изменения концентрации электронов и дырок в зонах и на примесях-ловушках определяется системой ур-ний, в к-рые входят концентрации ловушек, свободных (N)и занятых (М)электронами (N + М - полная концентрация ловушек), коэф. захвата на ловушки электронов (

) и дырок (

). Число актов в 1 с в 1 см³ можно по аналогии с (1), (2) записать в виде

Для количеств. описания безызлучат. процессов наряду с коэф. захвата

и сечениями захвата на ловушки

вводят времена жизни носителей по отношению к захвату на ловушки

В простейшем случае ловушек одного типа в сильно-легиров. полупроводниках т совпадает с временем жизни по отношению к захвату на ловушки неосновных носителей. Так, в полупроводниках р-типа

Сечение захвата на примесные центры может изменяться в зависимости от температуры и типа примеси в пределах от 10^-12 см² (притягивающие центры, Т c 4,2 К) до 10^-22 см² (отталкивающие центры, Т = 300 К).

Исследование рекомбинац. процессов в полупроводниках позволяет определить коэф. и сечения Р. и их зависимости от Т, электрич. полей и параметров полупроводника.

Литература по рекомбинации носителей заряда в полупроводниках

Знаете ли Вы, что релятивизм (СТО и ОТО) не является истинной наукой? - Истинная наука обязательно опирается на причинность и законы природы, данные нам в физических явлениях (фактах). В отличие от этого СТО и ОТО построены на аксиоматических постулатах, то есть принципиально недоказуемых догматах, в которые обязаны верить последователи этих учений. То есть релятивизм есть форма религии, культа, раздуваемого политической машиной мифического авторитета Эйнштейна и верных его последователей, возводимых в ранг святых от релятивистской физики. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.