- •Лабораторная работа № 4
- •Уравнение непрерывности. Время жизни.
- •Монополярная световая генерация. Максвелловское время релаксации
- •Максвелловское время релаксации
- •Механизмы рекомбинации
- •Механизмы перехода электрона из зоны проводимости в валентную зону
- •Механизмы передачи энергии рекомбинирующих частиц
- •Соотношений между различными видами рекомбинации
- •Рекомбинация через ловушки
- •Зависимость времени жизни от уровня легирования (низкий уровень инжекции)
- •Зависимость времени жизни от уровня инжекции
- •Температурная зависимость времени жизни
- •Определение времени жизни неравновесных носителей заряда в полупроводниках методом спада фотопроводимости Метод спада фотопроводимости
- •Описание макета установки для определения времени жизни неосновных носителей заряда методом спада фотопроводимости
- •Расчет времени жизни
- •Требования к отчету о лабораторной работе.
- •Требования техники безопасности.
- •Контрольные вопросы
- •Литература
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №4
по курсу «ФТТ и ПП»
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВРЕМЕНИ ЖИЗНИ НЕРАВНОВЕСНЫХ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА В ПОЛУПРОВОДНИКАХ
Лабораторная работа № 4
Определение времени жизни неравновесных носителей заряда в полупроводниках
Цель работы
Целью работы является:
изучение процессов генерации и рекомбинации неравновесных носителей заряда в полупроводниках;
ознакомление с методом спада фотопроводимости;
освоение методики, основанной на методе спада фотопроводимости
проведение измерения времени жизни в полупроводнике методом спада фотопроводимости;
Измерения проводятся при комнатной температуре на одном (или более) образце.
Общие сведения.
Генерация, рекомбинация и захват носителей заряда.
Процесс образования свободных электронов и дырок раздельно или одновременно называется генерацией. При термодинамическом равновесии свободные электроны и дырки в полупроводнике возникают вследствие тепловой генерации трех видов (рис.1):
переход электронов с донорного уровня ЕD в зону проводимости ЕC с образованием свободных электронов;
переход электронов из валентной зоны ЕV на акцепторный уровень ЕA с образованием свободных дырок;
переход электронов из валентной зоны ЕV в зону проводимости ЕC с образованием пар свободных электронов и дырок.
Рис.1. Генерация, рекомбинация и захват носителей заряда в полупроводниках:
а1 - генерация электронов; б1 - генерация дырок; в1 - генерация электронно-дырочных пар; а2 - захват электронов, б2 - захват дырок; г1 - генерация электронно-дырочных пар с ловушечных центров; г2 - рекомбинация электронно-дырочных пар.
Согласно принципу детального равновесия каждому из трех рассмотренных процессов генераций соответствует обратный процесс - переход свободных носителей в связанное состояние. Рекомбинация – это переход электрона из зоны проводимости в валентную зону, в результате чего исчезает пара свободных носителей. Захват – это переход свободного носителя из зоны проводимости или валентной зоны на локальный энергетический уровень в запрещенной зоне. В условиях термодинамического равновесия процессы генерации, рекомбинации и захвата взаимно уравновешиваются. Это означает, что скорости тепловой генерации электронов gn0 и дырок gp0 равны соответствующим скоростям рекомбинации (или захвата) электронов rn0 и дырок rp0.
, . |
(1) |
При этом в полупроводнике устанавливается определенное распределение электронов между валентной зоной, зоной проводимости и локальными энергетическими уровнями в запрещенной зоне.
Концентрации свободных электронов n0 и дырок р0 в условиях термодинамического равновесия определяется равновесной функцией распределения Ферми-Дирака или Максвелла-Больцмана f0(Е,Т).
Равновесное состояние полупроводника может быть нарушено внешним воздействием - электрическим полем, облучением, инжекцией и другим, которое вызывает дополнительную генерацию электронов и дырок со скоростями генерации Gn и Gp. При этом возникают так называемые неравновесные концентрации электронов n и дырок р. Поведение неравновесных электронов и дырок определяется неравновесной функцией распределения , которую находят из решения кинетического уравнения Больцмана. Функцияопределяет вероятность нахождения электрона (дырки) в элементарном объеме фазового пространства, содержащего точкув момент времени t.
Разности n=n-n0 и p=p-p0 называются избыточными концентрациями соответственно электронов и дырок.
Отношение избыточной концентрации неосновных носителей к равновесной концентрации основных носителей называется уровнем инжекции z: z=n/p0 - для полупроводника р-типа проводимости; z=p/n - для полупроводника n-типа проводимости. Уровень инжекции называется низким, если z<<1, средним - если z≈1 и высоким – если z>>1.