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10.4 : 半導体の基礎

キャリア生成は、半導体内で電子正孔対 (EHP) が生成されるプロセスです。ガリウムヒ素 (GaAs) などの直接バンドギャップ半導体では、エネルギー吸収によって価電子が伝導帯に飛び込み、正孔が残るときに、キャリア生成が効率的に発生します。

このプロセスは生成率 G で表され、価電子帯の最大値と伝導帯の最小値の間の運動量が保存されるため効率的です。

間接生成には中間ステップが含まれ、シリコン (Si) などの間接バンドギャップ半導体で一般的です。間接バンドギャップ半導体ではフォノンから追加の運動量が必要になるため、キャリア生成の効率が低下します。オージェ生成と衝撃イオン化により、高エネルギー環境 (強電界など) で複数の EHP が生成されます。

再結合は、自由電荷キャリアの数を減らすプロセスです。バンド間の直接再結合は、ガリウムヒ素などの半導体で発生し、電子と正孔は中間状態を介さずに直接再結合します。

電子が多数キャリアである n 型半導体の再結合率は、次の式で与えられます。

Equation 1

ここで、B は再結合係数、n と p はそれぞれ電子と正孔の濃度です。間接再結合には、トラップ (バンドギャップ内の局所的なエネルギー状態) が関係します。キャリアはこれらの状態によって一時的に捕獲され、その後再結合して、非放射プロセスとして熱としてエネルギーを放出します。

生成と再結合の間の平衡は、次の式で表されます。

Equation 2

非平衡状態では、過剰キャリアによって再結合率 U が発生し、平衡を回復する傾向があります。少数キャリア濃度 (Δp) が多数キャリア濃度よりも大幅に低い低レベル注入では、速度は次のようになります。

Equation 3

キャリア生成速度と再結合速度は熱平衡状態でバランスが取れています。ただし、光や電界などの外部力がこの平衡を乱すと、半導体は非平衡状態になります。平衡に戻るダイナミクスには、これらの生成メカニズムと再結合メカニズムの間の複雑な相互作用が関係します。

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Carrier GenerationElectron hole PairsSemiconductorDirect bandgap SemiconductorsGallium ArsenideConduction BandIndirect GenerationPhononsAuger GenerationImpact IonizationRecombinationN type SemiconductorRecombination CoefficientMajority CarriersEnergy StatesNon radiative ProcessThermal EquilibriumNon equilibrium State

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