Прямая рекомбинация
Cтраница 4
Часть электронов, попавших в зону проводимости, непосредственно рекомбшшрует с ионизационными центрами свечения ( свободные уровни, см. рис. 193), в результате чего выделяется квант энергии, дающий кратковременное свечение. Другая часть электронов, поступающих в зону проводимости, застревает на уровнях в местах нарушений кристаллической решетки, на уровнях прилипания. Если уровни прилипания лежат достаточно глубоко под дном зоны приводимости, то прямая рекомбинация с ионизированными центрами свечения практически полностью исключена. Вероятность такого перехода обратно пропорциональна энергетическому расстоянию между дном зоны проводимости и положением уровня прилипания и Прямо пропорциональна температуре решетки. [46]
В таких полупроводниках, как Ge, Si, вероятность передачи решетке или электрону большой энергии § g очень мала. Поэтому соответствующие безызлучательные времена жизни, так же как и излучательное время жизни тг, очень велики и основную роль играет рекомбинация через примесные центры, когда электрон отдает свою энергию решетке не сразу, а по частям. При сравнительно малой концентрации центров рекомбинации - около 1012 см2 или даже ниже - рекомбинация через примеси оказывается значительно более вероятной, чем прямая рекомбинация зона - зона, и лишь при очень больших концентрациях избыточных носителей существенную роль играет прямая рекомбинация. [47]
Действительный механизм рекомбинации еще не полностью изучен. Для германия и кремния расчеты, основанные на модели свободно перемещающейся дырки, рекомбинирующей со свободно перемещающимся электроном, дают намного большую величину времени жизни носителей, чем экспериментальные измерения. В общем можно сказать, что для тех полупроводников, у которых минимум зоны проводимости не расположен над максимумом валентной зоны, измеренное время жизни носителей всегда меньше времени, рассчитанного на основе прямой рекомбинации. Заметим, что в таких случаях в процессе прямой рекомбинации необходимым образом должны участвовать не только фотоны, но и фононы для того, чтобы удовлетворялся закон сохранения энергии и импульса. [48]
В таких полупроводниках, как Ge, Si, вероятность передачи решетке или электрону большой энергии § g очень мала. Поэтому соответствующие безызлучательные времена жизни, так же как и излучательное время жизни тг, очень велики и основную роль играет рекомбинация через примесные центры, когда электрон отдает свою энергию решетке не сразу, а по частям. При сравнительно малой концентрации центров рекомбинации - около 1012 см2 или даже ниже - рекомбинация через примеси оказывается значительно более вероятной, чем прямая рекомбинация зона - зона, и лишь при очень больших концентрациях избыточных носителей существенную роль играет прямая рекомбинация. [49]
Особые механизмы безызлучательной релаксации имеют место в полупроводниках. Следует заметить, что при достаточно высоких концентрациях свободных носителей может также происходить и прямая рекомбинация свободных электронов и дырок. Для всех перечисленных выше случаев, за исключением прямой рекомбинации, релаксация носителей описывается экспоненциальным законом. В случае прямой рекомбинации следует ожидать, что вероятность перехода будет пропорциональна концентрации свободных носителей, а это и приводит к неэкспоненциальной релаксации. [50]
Такой процесс называется непосредственной или прямой рекомбинацией. Разность энергии выделяется в виде кванта электромагнитного излучения либо передается кристаллической решетке в виде механических колебаний. При этом электромагнитное излучение будет, очевидно, ограничено довольно узким диапазоном спектра. Однако такой процесс прямой рекомбинации мало вероятен. [51]
Такой процесс называют непосредственной пли прямой рекомбинацией. Разность энергий при этом выделяется в виде кванта электромагнитного излучения либо передается кристаллической решетке в виде механических колебаний. При этом электромагнитное излучение будет, очевидно, ограничено довольно узким диапазоном спектра. Однако такой процесс прямой рекомбинации маловероятен, так как для его осуществления электрон и дырка должны оказаться одновременно в одном и том же месте кристалла. Последнее приводит к тому, что, например, в германии на 1 10 рекомбинаций лишь одна происходит в результате непосредственной аннигиляции с выделением фотона, уносящего всю освобождаемую при рекомбинации энергию. [52]
Такой процесс называют непосредственной или прямой рекомбинацией. Разность энергий при этом выделяется в виде кванта электромагнитного излучения либо передается кристаллической решетке в виде механических колебаний. При этом электромагнитное излучение будет, очевидно, ограничено довольно узким диапазоном спектра. Однако такой процесс прямой рекомбинации маловероятен, так как для его осуществления электрон и дырка должны оказаться одновременно в одном и том же месте кристалла. Последнее приводит к тому, что, например, в германии на 1 10 рекомбинаций лишь одна происходит в результате непосредственной аннигиляции с выделением фотона, уносящего всю освобождаемую при рекомбинации энергию. [53]
 |
Рекомбинация за счет глубоко лежащих уровней W Г. [54] |
Объемное время жизни носителей определяется двумя процессами. Другой - рекомбинация посредством рекомбинационных центров. Время жизни носителей для прямой рекомбинации определяется следующим образом. [55]
Действительный механизм рекомбинации еще не полностью изучен. Для германия и кремния расчеты, основанные на модели свободно перемещающейся дырки, рекомбинирующей со свободно перемещающимся электроном, дают намного большую величину времени жизни носителей, чем экспериментальные измерения. В общем можно сказать, что для тех полупроводников, у которых минимум зоны проводимости не расположен над максимумом валентной зоны, измеренное время жизни носителей всегда меньше времени, рассчитанного на основе прямой рекомбинации. Заметим, что в таких случаях в процессе прямой рекомбинации необходимым образом должны участвовать не только фотоны, но и фононы для того, чтобы удовлетворялся закон сохранения энергии и импульса. [56]
Один из основных классов лазеров на твердом теле содержит, как указывалось выше, разбавленные растворы ионов переходных или редкоземельных металлов в подходящей решетке. Другой большой класс лазеров на твердом теле включает некоторые полупроводящие соединения III и V групп ( возможно, и других групп), причем для возбуждения применяют инъекцию носителей зарядов через р - - переход. За этим процессом следует радиационная рекомбинация избыточных носителей, приводящая к излучению света. Существует несколько механизмов рекомбинации носителей и эффективность необходимого процесса радиационной рекомбинации будет снижена, если возникнут какие-либо другие конкурирующие процессы. Поэтому, если процесс излучения обусловлен прямой рекомбинацией носителей из зоны проводимости с носителями из зоны валентности, то рекомбинация носителей на центрах примесей ( ловушках), рекомбинация электронов с донорами и дырок с акцепторами ( процессы, не сопровождающиеся излучением света) и образование экситонов понижают эффективность излучения света. Эти процессы рекомбинации по существу те же, что и упомянутые выше ( разд. 1А); они определяют поведение транзисторов и диодов, где ключевым фактором является также продолжительность жизни носителей. [57]
Электроны в зоне проводимости полупроводника находятся в возбужденном состоянии и, следовательно, имеют конечное время жизни. При встрече они аннигилируют с дырками. Однако вероятность такой рекомбинации очень мала, потому что и электроны, и дырки движутся с большими скоростями и вероятность их нахождения в одном и том же месте пространства в один и тот же момент времени ничтожна. Поэтому главный путь рекомбинации осуществляется посредством захвата электронов ( или дырок) примесными атомами. Этот механизм значительно более эффективен, чем прямая рекомбинация. Тем не менее вероятность рекомбинации посредством захвата также не очень велика и обычно обеспечивает сравнительно большую продолжительность жизни соответствующих носителей. [58]
Светодиоды изготавливают из монокристаллического GaAs, в котором / - и-переходы формируются путем добавления соответствующих легирующих примесей. Обычно это теллур, цинк или кремний. Эпитаксиальные слои трехкомпонент-ных и четырехкомпонентных материалов типа AlnBv, таких как фосфид арсенид галлия ( GaAsP), наращиваются на подложку. Они дают полосу излучения волн определенной длины в видимом спектре для индикаторов или в инфракрасном спектре для источников излучения или датчиков. Например, красный свет с длиной волны примерно в 650 нм происходит от прямой рекомбинации р - n электронов и дырок. В данной статье дается обобщенное описание этапов изготовления светодиодов. [59]
В полупроводниках имеются также примесные уровни, значительно удаленные и от начала зоны проводимости и от конца валентной зоны. Эти глубокие уровни могут быть как донорами, так и акцепторами электронов. Поскольку их энергия ионизации велика, они не вносят существенного вклада в концентрацию носителей за счет обычной термической ионизации, но могут служить ловушками ( такими же, как неглубокие уровни обычных примесей) при компенсации избыточных доноров и акцепторов или же центрами рекомбинации в полупроводниках. Иногда, например при поглощении света, электроны переходят из валентной зоны в зону проводимости, что приводит к избыточной, неравновесной концентрации носителей, электронов и дырок, которые в конечном итоге рекомбинируют. При малых избыточных концентрациях скорость рекомбинации пропорциональна концентрации носителей, и их число убывает во времени по закону e - tlx, где т - константа, называемая время жизни. Время жизни при прямой рекомбинации может быть довольно большим вследствие необходимости одновременного выполнения двух законов сохранения: энергии и импульса. Поэтому часто рекомбинация протекает с большей скоростью путем захвата носителей одного знака атомами примесей с более глубокими уровнями и последующей рекомбинацией носителями противоположного знака. Примером примесных уровней, которые служат центрами рекомбинации, являются уровни меди и никеля в германии. Процесс рекомбинации чрезвычайно чувствителен к наличию определенных примесей: одна часть никеля на миллиард частей германия уменьшает время жизни носителей на один-два порядка. [60]
Страницы: 1 2 3 4 5