10.4 : Основы теории полупроводников

Генерация носителей — это процесс, посредством которого внутри полупроводника создаются электронно-дырочные пары (ЭДП). В полупроводниках с прямой запрещенной зоной, таких как арсенид галлия (GaAs), это эффективно происходит, когда поглощение энергии заставляет валентные электроны “прыгать” в зону проводимости, оставляя после себя дырки.

Этот процесс определяется скоростью генерации G и эффективен из-за сохранения импульса между максимумом валентной зоны и минимумом зоны проводимости.

Косвенная генерация включает промежуточный этап и типична для полупроводников с непрямой запрещенной зоной, таких как кремний (Si). Полупроводники с непрямой запрещенной зоной требуют дополнительного импульса от фононов, что делает генерацию носителей менее эффективной. Генерация Оже и ударная ионизация создают множественные ЭДП в высокоэнергетических средах, таких как сильные электрические поля.

Рекомбинация – это процесс, приводящий к уменьшению числа свободных носителей заряда. Прямая межзонная рекомбинация происходит в полупроводниках, таких как арсенид галлия, где электроны и дырки рекомбинируют напрямую, без промежуточных состояний.

Скорость рекомбинации для полупроводника n-типа, где электроны являются основными носителями, определяется выражением:

Где B — коэффициент рекомбинации, а n и p — концентрации электронов и дырок соответственно. Косвенная рекомбинация включает ловушки: локализованные энергетические состояния внутри запрещенной зоны. Носители временно захватываются этими состояниями, а затем рекомбинируют, выделяя энергию в виде тепла (безызлучательный процесс).

Равновесие между генерацией и рекомбинацией описывается формулой:

В неравновесных условиях избыточные носители вызывают результирующую скорость рекомбинации U, которая стремится к восстановлению равновесия. При инжекции низкого уровня, когда концентрация неосновных носителей (Δp) значительно ниже, чем концентрация основных носителей, скорость равна:

Скорости генерации носителей и рекомбинации сбалансированы при тепловом равновесии. Однако, когда внешние силы, такие как свет или электрические поля, нарушают это равновесие, полупроводник переходит в неравновесное состояние. Динамика возвращения к равновесию включает в себя сложные взаимодействия между этими механизмами генерации и рекомбинации.