Что такое рекомбинация зарядов

Рекомбинация (физика полупроводников)

В полупроводниках возможны следующие варианты рекомбинации:

* межзонная — непосредственный переход электронов в валентную зону, существенна в собственных полупроводниках и полупроводниках с узкой запрещённой зоной с минимальным количеством дефектов;

через промежуточные уровни в запрещённой зоне, существенна в примесных полупроводниках.В образцах с больши́м значением поверхности на единицу объёма значительно возрастает роль рекомбинации на поверхностных состояниях (поверхностной рекомбинации).

При рекомбинации носителей выделяется энергия, которая передаётся частицам (в том числе квази-). В зависимости от типа частиц-«приёмников» выделяются:

* излучательная рекомбинация — энергия уносится фотонами;

* безызлучательная рекомбинация — энергия передается фононам решетки или другим частицам (Оже-рекомбинация).

Связанные понятия

Упоминания в литературе

Связанные понятия (продолжение)

Эта статья — об энергетическом спектре квантовой системы. О распределении частиц по энергиям в излучении см. Спектр, Спектр излучения. Об энергетическом спектре сигнала см. Спектральная плотность.Энергетический спектр — набор возможных энергетических уровней квантовой системы.

Баллистические транзисторы — собирательное название электронных устройств, где носители тока движутся без диссипации энергии и длина свободного пробега носителей намного больше размера канала транзистора. В теории эти транзисторы позволят создать высокочастотные (ТГц диапазон) интегральные схемы, поскольку быстродействие определяется временем пролёта между эмиттером и коллектором или, другими словами, расстоянием между контактами, делённым на скорость электронов. В баллистическом транзисторе скорость.

Магнитосопротивление (магниторезистивный эффект) — изменение электрического сопротивления материала в магнитном поле. Впервые эффект был обнаружен в 1856 Уильямом Томсоном. В общем случае можно говорить о любом изменении тока через образец при том же приложенном напряжении и изменении магнитного поля. Все вещества в той или иной мере обладают магнетосопротивлением. Для сверхпроводников, способных без сопротивления проводить электрический ток, существует критическое магнитное поле, которое разрушает.

Источник

Рекомбинация носителей заряда

Механизмы рекомбинации. Различают непосредственную рекомбинацию и рекомбинацию на примесных центрах.

Непосредственной рекомбинацией называют переход электрона из зоны проводимости непосредственно в валентную зону, где он занимает один из вакантных уровней, т.е. «уничтожает» дырку, рис.2.6.

Рис.2.6. Прямые переходы из зоны в зону.

I-генерация носителей заряда; II-рекомбинация носителей заряда

(а-начальное состояние, б-переход, в –конечное состояние).

Разумеется, при таком переходе должна выделяться энергия qφ_З — такая же, какая была ранее затрачена на перевод электрона из валентной зоны в зону проводимости. Энергия может выделяться либо в виде фотона (излучателъная рекомбинация), либо в виде фонона (безызлучательная рекомбинация). В большинстве полупроводников, в том числе и в кремнии, вероятность излучательной рекомбинации на несколько порядков меньше, чем безызлучательной[2].

Однако вероятность безызлучательной непосредственной рекомбинации сама по себе тоже очень мала, поскольку сравнительно большая энергия qφ_З (порядка 1 эВ) редко может воплотиться в одном фононе, а ее одновременное распределение между двумя фононами маловероятно. Таким образом, непосредственная рекомбинация в целом не является главным механизмом рекомбинации в полупроводниках.

Главную роль играет рекомбинация на примесных центрах. Речь идет о глубоких уровнях, расположенных вблизи середины запрещенной зоны, которые называют ловушками, рис.2.7.

Данный вид рекомбинации — двухэтапный: сначала электрон переходит из зоны проводимости на уровень ловушки, а затем с уровня ловушки в валентную зону. На каждом этапе выделяется энергия, близкая к ½qφ_З Вдвое меньше, чем при непосредственной рекомбинации. Это обстоятельство резко повышает вероятность передачи энергии фонону, что и объясняет преимущественное значение данного механизма рекомбинации.

IIа – захват дырки ( а – начальное состояние; б – переход; в – конечное состояние;

Е_Л – энергетический уровень ловушки)

Роль ловушек могут играть не только примесные атомы, но и различные дефекты решетки. Поэтому повышенная скорость рекомбинации свойственна, в частности, поликристаллам (у которых дефектами являются все грани между отдельными зернами) и приповерхностным слоям любого монокристаллического полупроводника (где неизбежны нарушения периодичности решетки и разрывы ковалентных связей).

Рекомбинация равновесных носителей. Вероятность непосредственной рекомбинации электрона с одной из дырок в единицу времени можно записать следующим образом:

(2.18)

где σ_эфф — эффективное сечение захвата;

V_Т — средняя тепловая скорость электронов[3].

Величину r называют коэффициентом рекомбинации. Умножив коэффициент r на концентрацию дырок, получим полную вероятность рекомбинации электрона в единицу времени (с любой из имеющихся дырок).

Обратная величина будет средним интервалом между актами рекомбинации, т.е. средним временем жизни электронов (дырок) при непосредственной рекомбинации:

(2.19)

.

В формулах (2.19) индекс «0» присвоен равновесным концентрациям.

Из формул (2.19) ясно, что равновесные времена жизни электронов и дырок в общем случае резко различны из-за различия концентраций n₀ и p₀, причем время жизни неосновных носителей всегда меньше, чем основных.

Непосредственная рекомбинация. В неравновесном состоянии полупроводника концентрации свободных носителей отличаются от равновесных значений:

Неравновесные концентрации n и р могут быть больше и меньше равновесных, т.е. знаки приращений Δn и Δр в формулах (2.22) могут быть как положительными, так и отрицательными. Приращения Δn и Δр называют избыточными концентрациями. Для сохранения нейтральности полупроводника избыточные концентрации электронов и дырок должны быть одинаковыми:

С учетом эквивалентного времени жизни τ представленного в форме соотношения

(2.24)

от условия равенства скоростей изменения концентраций (2.25)

(2.25)

перейдем к уравнению рассасывания:

dn/dt= -∆n/ (2.26)

Решением уравнения рассасывания является экспоненциальная функция

где Δn(0) — начальное значение избыточной концентрации. Зависимость (2.27) позволяет определить время жизни как интервал, в течение которого избыточная концентрация уменьшается в е раз.

Из структуры выражения (2.24) следует, что величина τ близка к минимальной из двух ее составляющих τ_n и τ_p. Следовательно, эквивалентное время жизни избыточных носителей определяется временем жизни неосновных носителей. У электронных полупроводников τ ≈ τ_p, у дырочных τ ≈ τ_n.

Рекомбинация на ловушках. При ловушечном механизме рекомбинации время жизни τ определяется соотношением:

(2.28)

Для электронного полупроводника при выполнении свойственных ему неравенств n₀ >> p₀ и n₀ >>n_t, p_t из (2.28) следует:

τ ≈ τ_p. Для дырочного полупроводника при выполнении аналогичных неравенств следует: τ = τ_n. Значит, при ловушечной рекомбинации, как и при непосредственной, время жизни избыточных носителей определяется временем жизни неосновных носителей.

Чем больше концентрация ловушек, тем меньше время жизни.

Зависимость времени жизни от температуры обусловлена резким возрастанием концентрации n_t. Когда величина n_t делается сравнимой с n₀, время жизни начинает увеличиваться, а при условии n_t > n₀ зависимость τ(T) практически совпадает с экспоненциальной функцией n_t(Т). Быстрый рост времени жизни замедляется вблизи критической температуры, когда полупроводник превращается в собственный. Для собственного полупроводника функция τ(T) не нарастающая, а спадающая, так как концентрация n_t, увеличивается медленнее, чем n_i. На рис. 2.8,б показаны примеры функции τ(T) для разных концентраций примеси.

Рис. 2.8. Зависимость времени жизни носителей

от концентрации примеси (а) и от температуры (б)

Как видим, температурная зависимость времени жизни наиболее существенна в слабо легированных полупроводниках (для кремния при N 14 –10 15 см –3 ). В сильно легированных (низкоомных) полупроводниках эта зависимость второстепенная.

В заключение отметим, что типичные значения времени жизни для кремния составляют 0,1—1 мкс. Если специально легировать кремний «ловушечной» примесью (чаще всего золотом), то время жизни уменьшается до 10 нc и менее.

Дата добавления: 2015-10-13 ; просмотров: 5333 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Источник

Генерация и рекомбинация носителей зарядов.

Генерация носителей заряда (образование свободных электронов и дырок) происходит при воздействии теплового хаотического воздействия атомов кристаллической решетки (тепловая генерация), при воздействии поглощенных полупроводником квантов света (световая генерация ) и других энергетических факторов. Так как полупроводник всегда находится под воздействием всех этих факторов или хотя бы одного (Т ¹ 0), генерация носителей происходит непрерывно.

Одновременно с генерацией в полупроводнике происходит и обратный процесс – рекомбинация носителей заряда (возвращение электрона из зоны проводимости в валентную зону и исчезновение пары носителей заряда ). В состоянии термодинамического равновесия процессы генерации и рекомби-нации заряда взаимно уравновешены. При этом в полупроводнике сущест-вует равновесная концентрация электронов n₀ и равновесная концентрация дырок p₀. При воздействии на полупроводник нетеплового внешнего энерге-тического фактора ( света, сильного электрического поля и др.) генерируют-ся новые носители заряда, возникает избыточная (неравновесная) концент-рация ∆_n или ∆_р. Таким образом :

(3.4.1)

Механизмы рекомбинации могут быть различны. Межзонная или не-посредственная рекомбинация происходит при переходе свободного элект-рона из зоны проводимости в валентную зону на один из свободных энерге-тических уровней, что соответствует исчезновению пары носителей заряда. Однако такой процесс мало вероятен, так как свободный электрон и дырка должны оказаться одновременно в одном и том же месте кристалла. Кроме того рекомбинация электрона и дырки в этом случае возможна только при одинаковых, но противоположно направленных импульсах электрона и дырки.

Рекомбинация с участием рекомбинационных ловушек (более вероят-на) протекает в два этапа.

На первом этапе рекомбинационная ловушка (или энергетический уровень рекомбинационной ловушки) захватывает, например, электрон из зоны проводимости. Таким образом, электрон выбывает из зоны электропроводности. В этом состоянии ловушка будет находиться до тех пор, пока к ней не подойдет дырка, или другими словами, пока в данном месте кристалла не окажется свободный энергетический уровень валентной зоны. При выполнении этих условий осуществляется второй этап рекомбинации – электрон перейдет на свободный уровень валентной зоны.

Двухэтапный процесс рекомбинации более вероятен, так как он не требует одновременного присутствия в данном месте кристалла электрона и дырки.

На рис. 3.4.1 схематически изображены механизмы регенерации и ре-комбинации электронов и дырок.

Роль рекомбинационных ловушек могут выполнять примесные атомы или ионы, различные включения в кристалле, незаполненные узлы кристал-лической решетки и другие несовершенства объема или поверхности.

В зависимости от того, как расходуется энергия, освобождающаяся при рекомбинации электроны и дырки, рекомбинацию можно подразделить на два вида.

· Излучательной рекомбинацией называют рекомбинацию, при которой энергия, освобождающаяся при переходе электрона на более низкий энергетический уровень, излучается в виде кванта света (фотона ).

· При безызлучательной (фононной ) рекомбинации избыточная энер-гия электрона передаётся кристаллической решетке полупроводника, то есть избыточная энергия идет на образование фононов – квантов тепловой энергии.

Скорость генерации носителей V_ген (как и скорость рекомбинации V_рек) определяется свойствами полупроводника и его температурой. Скорость рекомбинации кроме того, пропорциональна концентрации электронов и дырок, так как чем больше количество носителей, тем вероятнее, что их встреча завершится рекомбинацией. Учитывая, что в установившемся режиме должно существовать динамическое равновесие, получим:

где r— множитель, определяемый свойствами полупроводника.

Источник

Рекомбинация (физика полупроводников)

Рекомбинация — исчезновение носителей заряда в результате столкновения зарядов противоположных знаков (при «низких» скоростях).

В полупроводниках возможны следующие варианты рекомбинации:

В образцах с больши́м значением поверхности на единицу объёма значительно возрастает роль рекомбинации на поверхностных состояниях (поверхностной рекомбинации)

При рекомбинации носителей выделяется энергия, которая передаётся частицам (в том числе квази-). В зависимости от типа частиц-«приёмников» выделяются:

Смотреть что такое «Рекомбинация (физика полупроводников)» в других словарях:

Словарь терминов физики полупроводников — Эта страница глоссарий … Википедия

Оже-рекомбинация — механизм рекомбинации в полупроводниках, при котором лишняя энергия передаётся другому электронному возбуждению. При рекомбинации электрона проводимости и дырки, электрон переходит из зоны проводимости в валентную зону. При этом он теряет энергию … Википедия

Полупроводники — широкий класс веществ, характеризующихся значениями электропроводности σ, промежуточными между электропроводностью металлов (См. Металлы) (σ Полупроводники 106 104 ом 1 см 1) и хороших диэлектриков (См. Диэлектрики) (σ ≤ 10 10 10 12 ом… … Большая советская энциклопедия

ПОЛУПРОВОДНИКИ — широкий класс в в, характеризующийся значениями уд. электропроводности s, промежуточными между уд. электропроводностью металлов s=106 104 Ом 1 см 1 и хороших диэлектриков s=10 10 10 12 Ом 1см 1 (электропроводность указана при комнатной темп ре).… … Физическая энциклопедия

Перель, Владимир Иделевич — Владимир Иделевич Перель Дата рождения: 24 августа 1928(1928 08 24) Место рождения … Википедия

Электронно-дырочный переход — (p n переход) область полупроводника, в которой имеет место пространственное изменение типа проводимости (от электронной n к дырочной p). Поскольку в р области Э. д. п. концентрация дырок гораздо выше, чем в n области, дырки из n области… … Большая советская энциклопедия

КОНТАКТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ В ПОЛУПРОВОДНИКАХ — неравновесные электронные явления, возникающие при прохождении электрич. тока через контакт полупроводника с металлом или электролитом или через контакт двух различных полупроводников (гетеропереход )либо через границу двух областей одного и того … Физическая энциклопедия

РЕКОМБИНАЦИОННЫЕ ЦЕНТРЫ — дефекты или примесные атомы (ионы) в кристаллич. решётке, на к рых происходит рекомбинация электронно дырочной пары (см. Рекомбинация носителей заряда). Процесс осуществляется путём последоват. захвата электрона и дырки центром. Энергетич. уровни … Физическая энциклопедия

Фотопроводимость — фоторезистивный эффект, увеличение электропроводности полупроводника (См. Полупроводники) под действием электромагнитного излучения. Впервые Ф. наблюдалась в Se У. Смитом (США) в 1873. Обычно Ф. обусловлена увеличением концентрации… … Большая советская энциклопедия

Источник

рекомбинация

При безызлучательной фононной Р. электрону для выделения энергии

требуется возбудить в одном акте неск. десятков фононов, т. к. обычно в полупроводниках

1-2 эВ, а макс. энергия фонона составляет сотые эВ. Такие многофононные перехо-ды имеют ничтожно малую вероятность. Любая возможность передать избыточную энергию решётке не в одном акте, а в неск. последовательных актах на много порядков увеличивает вероятность Р. Эта возможность реализуется на примесных центрах или дефектах кристаллич. структуры, к-рые образуют уровни в запрещённой энергетич. зоне (см. Рекомбинационные центры).

Вследствие этого в непрямозонных полупроводниках (Ge, Si) в обычных условиях Излучательная Р. идёт только с участием примесей или колебаний решётки и имеет меньшую, чем в прямозонных полупроводниках (GaAs, InSb), вероятность.

Число актов излучательной Р. в 1 с в единице объёма равно

При оже-Р. взаимодействуют 3 частицы, энергия ре-комбинирующей пары передаётся либо электрону, либо дырке. Число актов Р. в 1 с в этих случаях равно

Для количеств. описания безызлучат. процессов наряду с коэф. захватаи сечениями захвата на ловушкивводят времена жизни носителей по отношению к захвату на ловушки и

Здесь — ср. тепловые скорости носителей.

В простейшем случае ловушек одного типа в сильно-легиров. полупроводниках т совпадает с временем жизни по отношению к захвату на ловушки неосновных носителей. Так, в полупроводниках р-типа

Исследование рекомбинац. процессов в полупроводниках позволяет определить коэф. и сечения Р. и их зависимости от Т, электрич. полей и параметров полупроводника.

Лит.: Landsberg Р. Т., Adams М. J., Radiative and auger processes in semiconductors, «J. of Luminescence», 1973, v. 7, p. 3; Бонч-Бруевич В. Л., Калашников С. Г., Физика полупроводников, М., 1977; Абакумов В. H., Перель В. И., Яссиевич И. Н., Захват носителей заряда на притягивающие центры в полупроводниках, «ФТП», 1978, т. 12, с. 3. В. Н. Абакумов, И. Н. Яссиевич.

Источник