Неравновесные носители

При температуре, отличной от абсолютного нуля, в полупровод­нике происходит процесс возбуждения (генерации), свободных носителей заряда. Если бы этот процесс был единственным, то концентрация носителей непрерывно возрастала бы с течением времени. Однако вместе с процессом генерации возникает процесс рекомбинации свободных носителей. Он состоит в том, что свободный электрон при встрече с вакантным местом (дыркой) занимает его, в ре­зультате чего происходит уничтожение пары свободных носителей.

При любой температуре между процессом тепловой генерации но­сителей и процессом их рекомбинации устанавливается равновесие, которому соответствует равновесная концентрация носителей. Такие носители называют равновесными.

Кроме теплового возбуждения возможны и другие способы гене­рации свободных носителей в полупроводниках: под действием света, ионизирующих частиц, введения (инжекции) их через контакт и др. Действие таких агентов приводит к появлению дополнительных, избыточных против равновесной концентрации, свободных носителей. Их называют неравновесными носителями.

Процесс перехода электрона из зоны проводимости в валентную зону при рекомбинации может протекать непосредственно (стрелка 1 на рис. 4.16) или поэтапно: сначала на примесный уровень (стрелка 2), затем с него в валентную зону (стрелка 3). Первый тип – межзонная рекомбинация, второй – рекомбинация через примесный уровень.

Рисунок 4.16

В обоих типах выделяется одна и та же энергия Е_g. Но в первом случае энергия выделяется сразу, а во втором частями.

Энергия может выделяться в виде кванта света ћω - излучательная рекомбинация - или в виде тепла (фононов) – безызлучательная рекомбинация.

Обычно межзонная излучательная рекомбинация характерна для полупроводников с узкой запрещенной зоной при относительно высокой температуре (комнатной и выше).

Для полупроводников с большой Е_g характерна безызлучательная рекомбинация. Однако при повышении концентрации избыточных носителей, например путем повышения степени легирования, и в таких полупроводниках может быть достигнута высокая степень излучательной рекомбинации. Например для GaAs она может достигнуть более 50 % от актов рекомбинации. Поэтому GaAs является основным материалом для изготовления светодиодов и полупроводниковых лазеров.