Типы рекомбинации

В зависимости от механизма различают три вида рекомбинации: межзонную рекомбинацию, рекомбинацию через локальные центры и поверхностную рекомбинацию.

Межзонная рекомбинация осуществляется при переходе свободного электрона из зоны проводимости в валентную зону, что сопровождается уничтожением свободного электрона и дырки, на месте которой появляется связанный электрон. Этот процесс совершается при соблюдении законов сохранения энергии и импульса. Так как энергия электрона в валентной зоне меньше энергии электрона в зоне проводимости, то процесс межзонной рекомбинации должен сопровождаться выделением энергии

ΔE ≈ E_пр – E_B (49)

В зависимости от того, на что расходуется энергия, различают следующие виды межзонной рекомбинации:

Излучательную, при которой энергия ΔЕ излучается в виде кванта света (фотона);

безизлучательную, при которой энергия ΔЕ передается кристаллической решетке, то есть расходуется на образование фононов.

При излучательной межзонной рекомбинации в соответствии с законом сохранения энергии должен испускаться фотон с энергией

hυ ≈ E_пр – E_B (50)

Вместе с тем из закона сохранения импульса следует, что

hυ/С = P_пр –P_B (51)

Поскольку импульс фотона hυ/С ничтожно мал по сравнению с импульсом электрона, то последнее равенство можно переписать так

P_пр –P_B ≈ 0 (52)

Рассматривая – P_B как импульс свободной дырки, приходим к выводу, что при межзонной излучательной рекомбинации возможны лишь такие переходы, при которох электрон зоны проводимости встречается с дыркой валентной зоны, имеющей равный по величине и противоположный по направлению импульс.

Несложно показать, что скорость межзонной излучательной рекомбинации увеличивается по мере уменьшения ширины запрещенной зоны полупроводника и увеличение его температуры. Поэтому данный вид рекомбинации может иметь единственное значение лишь для полупроводников с узкой запрещенной зоной и при достаточно высоких температурах.

При безизлучательной (фононной) рекомбинации избыточная энергия выделяется в виде фононов. Оценки показывают, что максимальная энергия фононов в кристаллах не превышает 0,1 эВ. Это означает, что при рекомбинации через запрещенную зону шириной порядка 1 эВ должно произойти одновременно испускание большого числа фононов. Следовательно, межзонная безизлучательная рекомбинация через относительно широкую запрещенную зону должна быть многофононной. Известно, что вероятность многофононных процессов быстро падает с увеличением числа фононов, участвующих в процессе. Это означает, что в полупроводниках с широкой запрещенной зоной межзонная фононная рекомбинация является также маловероятной.

Опыт, однако, показывает, что с увеличением ширины запрещенной зоны безизлучательная рекомбинация все более преобладает над излучательной. Это противоречие объясняется тем, что по мере увеличения ширины запрещенной зоны более вероятными становятся не прямые переходы через нее, а переходы через локальные уровни, расположенные в запрещенной зоне.

Рекомбинация через локальные уровни (центры). Как мы выяснили раньше, наличие дефектов и примесей в полупроводнике приводит к появлению в его энергетической диаграмме локальных энергетических уровней, расположенных в запрещенной зоне. Рассмотрим, какую роль они играют в процессе рекомбинации свободных носителей зарядов.

Пусть в запрещенной зоне донорного полупроводника, имеющего значительную концентрацию электронов зоны проводимости, располагается свободный локальный уровень Ел (рис. 8а), наличие которого обусловлено присутствием примесного атома или дефекта решетки. В этом случае рекомбинация проходит в два этапа .

Первым этапом является захват электрона зоны проводимости указанным примесным атомом ёёёёёё (или, как горят, захват электрона проводимости локальным уровнем Ел, как показано стрелкой 1 на рис. 8а). Дальнейшее поведении захваченного электрона может быть двояким. Электрон может перейти в валентную зону (стрелка 2) на свободный уровень, что эквивалентно захвату на локальный уровень дырки и ее рекомбинации с электроном. Возможен и показанный стрелкой 3 обратный тепловой переброс электрона в зону проводимости. Этомт процесс препятствует рекомбинации электрона и дырки. Таким образом, интенсивность процесса рекомбинации определяется соотношением вероятностей процессов, указанных стрелками 2 и 3.

Если локальные уровни располагаются близко к дну зоны проводимости или к потолку валентной зоны (рис. 8б), то есть являются мелкими, то вероятность протекания через них рекомбинации так же мала, как и вероятность межзонной рекомбинации. Поэтому наличие мелких локальных уровней приводит лишь к энергичному обмену электронами между ними и зоной проводимости (или валентной зоной) и не дает вклада в процесс рекомбинации. Дефекты или примеси, приводящие к появлению таких локальных уровней, называют ловушками захвата или центрами прилипания.

Если же локальный уровень глубокий, то вероятность обратного переброса (например, электрона в зону проводимости) незначительна, преобладает процесс захвата дырки, то есть происходит интенсивный процесс рекомбинации.

Дефекты или примеси, приводящие к появлению глубоких локальных уровней, на которых протекает процесс рекомбинации свободных электронов и дырок, называют рекомбинационными ловушками или центрами рекомбинации.

Высокая интенсивность процесса рекомбинации на рекомбинационных ловушках объясняется тем, что при этом механизме избыточная энергия передается кристаллической решетке в два этапа (двумя примерно равными порциями), то есть на каждом этапе в реакции участвует меньшее число фононов, чем при межзонной рекомбинации. Немаловажное значение имеет также тот факт, что вероятность встречи дырки с неподвижным электроном, локализованным на дефекте, значительно выше вероятности встречи её с подвижным электроном.

У примесных акцепторных полупроводников, имеющих значительную концентрацию дырок в валентной зоне, первым этапом рекомбинации является переход дырки из валентной зоны на локальный рекомбинационный уровень, а вторым этапом – захват электрона зоны проводимости и его рекомбинация с дыркой. Обратный тепловой переброс дырки в валентную зону препятствует процессу рекомбинации.

Отметим, что интенсивность протекания рекомбинации через рекомбинационные ловушки зависит от степени легирования полупроводника. В собственном полупроводнике она минимальна и увеличивается как по мере добавления донорных, так и по мере добавления акцепторных примесей.