Межзонная рекомбинация

Под межзонной рекомбинацией подразумевается переход свободного электрона из зоны проводимости в валентную зону на один из свободных энергетических уровней, что соответствует исчезновению пары носителей заряда – свободного электрона и дырки. При межзонной рекомбинации электронов и дырок выделяемая энер­гия равна или несколько превышает на величину порядка кТ ширину запре­щенной зоны полупровод­ника (переход 1 на рисунке 2), т.е. hν_изл,»E_g. Например в GaAs это – 1,4 эВ, в GaР– 2,2 эВ при комнатной температуре. Энергия же теплового движения атомов при комнатной температуре – всего 0,026 эВ,а энергия кван­тов колебаний решетки – фононов – порядка 0,03–0,05 эВ [3].

Рисунок 2 – Основные механизмы излучательной рекомбинации в полупроводнике: 1 – межзонная рекомбинация электрон-дырка; 2 – экситонная рекомбинация; 3 – рекомбинация зона проводимости-акцептор; 4 – рекомбинация донор-валентная зона; 5 – Излучательная рекомбинация электрона и дырки на ловушке; 6 – межпримесная рекомбинация донор-акцептор.

Вероятность межзонной излучательной рекомбинации существенно зависит от энергетического спектра полупро­водника. Если абсолютный минимум с-зоны и абсолютный максимум v-зоны полупроводника расположены в одной точке зоны Бриллюэна, то излучательные переходы могут происходить без изменения квазиимпульса, это – прямые переходы (рисунок 3,а). Если положения абсолютных экстре­мумов c-и v-зон в зоне Бриллюэна не совпадают (рисунок 3,б), то при излучательном переходе должно происходить измене­ние квазиимпульса электрона. Для соблюдения законов со­хранения часть энергии и избыточный квазиимпульс должны передаваться третьему «телу» – примесному атому или кванту колебаний решетки – фонону. Такие переходы называются непрямыми. Поскольку для непрямого перехода не­обходимо взаимодействие трех «частиц»,т.е. электрон и дырка должны оказаться одновременно в одном и том же месте кристалла, то его вероятность много меньше вероятности прямого перехода. Кроме того, при их взаимодействии должен выполняться закон сохранения импульса, а это значит, что рекомбинация электрона и дырки возможна только при одинаковых, но противоположно направленных импульсах электрона и дырки.

В германии, например, на 100000 рекомбинаций лишь одна происходит в результате межзонной рекомбинации.

а б

Рисунок 3 – Прямые (а) и непрямые (б) межзонные переходы.

Число межзонных излучательных переходов в единицу времени в единице объема пропорционально произведению n·рконцентраций рекомбинирующих электронов и дырок [2].