10.4 : Bases des semi-conducteurs

La génération de porteurs est le processus par lequel des paires électron-trou (EHP) sont créées dans le semi-conducteur. Dans les semi-conducteurs à bande interdite directe, tels que l'arséniure de gallium (GaAs), cela se produit efficacement lorsque l'absorption d'énergie incite les électrons de valence à sauter dans la bande de conduction, laissant derrière eux des trous.

Ce processus est donné par le taux de génération G et est efficace en raison de la conservation de la quantité de mouvement entre le maximum de la bande de valence et le minimum de la bande de conduction.

La génération indirecte implique une étape intermédiaire et est typique des semi-conducteurs à bande interdite indirecte comme le silicium (Si). Les semi-conducteurs à bande interdite indirecte nécessitent une impulsion supplémentaire de la part des phonons, ce qui rend la génération de porteurs moins efficace. La génération Auger et l'ionisation par impact produisent de multiples EHP dans des environnements à haute énergie, tels que des champs électriques puissants.

La recombinaison est le processus qui réduit le nombre de porteurs libres. La recombinaison directe bande à bande se produit dans les semi-conducteurs comme l'arséniure de gallium, où les électrons et les trous se recombinent directement sans états intermédiaires.

Le taux de recombinaison pour un semi-conducteur de type n, où les électrons sont les porteurs majoritaires, est donné par:

Où B est le coefficient de recombinaison, et n et p sont respectivement les concentrations d’électrons et de trous. La recombinaison indirecte implique des pièges: des états énergétiques localisés dans la bande interdite. Les porteurs sont temporairement capturés par ces états puis se recombinent, libérant de l'énergie sous forme de chaleur, un processus non radiatif.

L'équilibre entre génération et recombinaison est décrit par:

Dans des conditions de non-équilibre, les porteurs en excès provoquent un taux de recombinaison net U, qui tend à rétablir l'équilibre. Lors d'une injection à faible niveau, où la concentration en porteurs minoritaires (Δp) est nettement inférieure à la concentration en porteurs majoritaires, le taux est:

Les taux de génération de porteurs et de recombinaison sont équilibrés à l’équilibre thermique. Cependant, lorsque des forces externes telles que la lumière ou les champs électriques perturbent cet équilibre, le semi-conducteur entre dans un état de non-équilibre. La dynamique de retour à l’équilibre implique des interactions complexes entre ces mécanismes de génération et de recombinaison.