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.
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