4.3.   Рекомбинация фотоносителей заряда

Освещение полупроводника приводит к образованию неравновес­ных носителей заряда, После прекращения освещения происходит нейтрализация пар «электрон проводимости – дырка проводимости» и все неравновесные носители рекомбинируют. Рекомбинация носи­телей осуществляется различными путями:

· переходом электронов из зоны проводимости в валентную зону – это межзонная рекомбина­ция;

· через ловушки рекомбинации, локальные энергетические уровни которых расположены в запрещенной зоне;

· через ловушки рекомбинации на поверхности полупроводника – поверхностная рекомбинация.

Процесс рекомбинации сопровождается выделением энергии. Если выделяющаяся энергия излучается в виде фотонов, то реком­бинацию называют фотонной. Если энергия переходит в энергию решетки и выделяется в виде фононов, то рекомбинацию называют фононной. Выделившаяся при рекомбинаци энергия может быть передана свободному электрону: такую рекомбинацию называют ударной или рекомбинацией Оже.

Рекомбинация как межзонная, так и через рекомбинационные ловушки может быть фотонной, фононной и ударной.

При межзонной фотонной рекомбинации испускается квант све­та, энергия которого равна ширине запрещенной зоны. Время жиз­ни носителей заряда, определяемое переходами зона – зона, на­пример для германия, должно составлять около одной секунды; экспериментально измеренное время жизни составляет ~10 -2 с. Это объясняется тем, что скорость межзонной рекомбинации значительно меньше скорости рекомбинации через ловушки, поэто­му время жизни носителей заряда определяется более быстрым процессом.

Фотонная рекомбинация происходит в полупроводниках доста­точно чистых, где отсутствуют ловушки. Принцип фотонной рекомбинации лежит в основе явления лю­минесценции. На этом же принципе работают полупроводниковые светодиоды и инжекционные лазеры.

Межзонная фононная рекомбинация – процесс тоже маловеро­ятный. Объясняется это тем, что при комнатной температуре энер­гия фотонов не превышает нескольких сотых долей электрон-вольт, что во много раз меньше ширины запрещенной зоны. Это означает, что при одном акте рекомбинации должно выделиться большое число фононов.

Наиболее вероятной является рекомбинация через локальные уровни – ловушки рекомбинации. В кристаллической решетке по­лупроводника содержатся различные дефекты и примеси, создаю­щие локальные энергетические уровни в запрещенной зоне (рис. 4.4). Уровни, расположенные близко к зоне проводимости, захватывая электроны из зоны проводимости, возвращают их че­рез некоторое время обратно. Время нахождения электрона на энергетическом уровне определяется глубиной его залегания.

Про­цесс освобождения электрона более вероятен, чем переход захва­ченного электрона в валентную зону, поскольку переход электрона в зону проводимости соответствует меньшему изменению его энергии. Точ­но так же уровни, расположенные у ва­лентной зоны, через некоторое время отдают электрон обратно. Дефекты ре­шетки, способные захватывать подвиж­ные носители заряда с последующим их освобождением, называют ловушка­ми захвата. Ловушки захвата, нейтра­лизующие захваченные носители заря­да, называют ловушками рекомбина­ции.

Подпись:  

Рис. 4.4. Зонная диаграмма полупроводника с ловушка¬ми захвата и рекомбинации
Деление энергетических уровней на уровни ловушек рекомбинации и ловушек захвата довольно условное, так как в зависимости от ряда факторов (температуры, характера окружающей среды, концент­рации носителей заряда и т.п.) свойства уровней могут меняться.

Процесс рекомбинации можно представить следующим образом. Ловушка рекомбинации захватывает электрон из зоны проводимо­сти, а затем электрон с уровня рекомбинации переходит в валент­ную зону, что эквивалентно переходу дырки на ловушку рекомби­нации. Процесс захвата носителей характеризуется тремя пара­метрами: концентрацией ловушек захвата, их энергетическим поло­жением в запрещенной зоне и эффективным сечением захвата но­сителей заряда.

Процесс рекомбинации определяется четырьмя параметрами: концентрацией рекомбинационных ловушек, их энергетическим по­ложением в запрещенной зоне и двумя эффективными с