Механизмы рекомбинации
Свободные электроны и дырки обладают определенными энергиями и квазиимпульсами. При рекомбинации электрон переходит из зоны проводимости в валентную зону, т.е. уменьшает свою энергию на величину порядка ширины запрещенной зоны. Эта энергия выделяется в виде излучения или переходит в тепло. Следовательно, в процессе рекомбинации обязательно участвуют другие частицы - электроны, дырки, фотоны, фононы и др., обеспечивающие выполнение законов сохранения энергии и квазиимпульса.
Различные рекомбинационные процессы можно классифицировать как по способу перехода электрона из зоны проводимости в валентную зону, так и по способу передачи энергии рекомбинирующих частиц.
Механизмы перехода электрона из зоны проводимости в валентную зону
Все механизмы рекомбинации по способу перехода электрона из зоны проводимости в валентную зону можно разделить на три основные группы:
прямая рекомбинация;
рекомбинация через ловушки;
поверхностная рекомбинация.
В случае прямой рекомбинации исчезновение электронно-дырочной пары происходит в результате непосредственной встречи электрона и дырки. На зонной диаграмме это соответствует переходу электрона из зоны проводимости непосредственно на свободные уровни в валентной зоне, поэтому прямая рекомбинация называется также межзонной.
Рекомбинация через ловушку связана с наличием разрешенных энергетических уровней в середине запрещенной зоны. Такие уровни возникают в результате нарушений периодической структуры кристалла, вызванных, например, атомами примеси и радиационными дефектами. Локальные состояния в запрещенной зоне могут захватывать свободные носители заряда, поэтому они называются ловушками. При рекомбинации через ловушки происходит захват, например, сначала электрона, а потом дырки. На зонной диаграмме этот процесс может быть изображен следующим образом; электрон переходит из зоны проводимости на уровень ловушки, а затем в валентную зону, заполняя один из свободных уровней, то есть рекомбинируя с дыркой. Эффективность рекомбинации через ловушки пропорциональна сечению захвата электрона или дырки ловушкой, которое характеризует взаимодействие свободного носителя с ловушкой. Она также существенно зависит от положения локального уровня Et внутри запрещенной зоны (рис.2). Захват электронов на мелкие донорные уровни Et1 сопровождается практически мгновенной термической эмиссией их обратно в зону проводимости. Поэтому мелкие донорные и акцепторные уровни на рекомбинацию практически не влияют.
Рис.2. Энергетические уровни ловушек в запрещенной зоне полупроводника; Еt1 - мелкий донорный уровень; Еt6 - мелкий акцепторный уровень; Еt2 - центр захвата (прилипания) электронов; акцепторный уровень; Еt5 - центр захвата (прилипания) дырок; Еt3, Еt4 - центры рекомбинации; Еi - середина запрещенной зоны.
Вероятность захвата электрона уровнем Et2 (рис.2) много больше вероятности захвата дырки. Энергия ионизации такого уровня не очень велика, но и не настолько мала, чтобы уровень ионизовался "мгновенно". Электрон захватывается таким уровнем, находится на нем некоторое время ("ждет" дырку, чтобы рекомбинировать с ней), а затем, "не дождавшись" дырки, вновь возвращается в зону проводимости. Такой уровень называется центром прилипания или центром захвата электронов. Уровни Et5, Et6, расположенные ближе к валентной зоне, могут быть центрами захвата дырок или центрами прилипания дырок. Особенность центров прилипания состоит в том, что они взаимодействуют в основном только с одной зоной: либо с зоной проводимости, либо с валентной зоной.
Уровень Et3 (рис.2) лежит в запрещенной зоне близко к ее середине. Такой уровень называют глубоким. Он достаточно хорошо взаимодействует как с валентной зоной так и с зоной проводимости. Вероятности захвата электронов и дырок этим уровнем близки по величине. Поэтому такие уровни называются центрами рекомбинации или рекомбинационными ловушками. Они резко увеличивают скорость рекомбинации, уменьшают время жизни.
Типичными примерами примесей, являющихся эффективными рекомбинационными центрами в кремнии, могут служить золото, которое дает акцепторный уровень, залегающий на глубине 0.54 эВ от дна зоны проводимости, и медь, которая дает акцепторный уровень, залегающий на глубине 0.53 эВ от потолка валентной зоны.
Поверхностная рекомбинация – это тоже рекомбинация через ловушку. Роль ловушек играют локальные поверхностные состояния, которые возникают вследствие обрыва кристаллической структуры полупроводника на поверхности кристалла. На протекание поверхностной рекомбинации оказывают большое влияние состояние поверхности: наличие окисной пленки, загрязнений и др.