НЕРІВНОВАЖНІ НОСІЇ ЗАРЯДУ

Нерівноважні носії в напівпровідниках можуть виникати під впливом зовнішніх електричних полів, неіонізуючого електромагнітного випромінювання (включаючи оптичний діапазон), іонізуючого випромінювання та інших енергетичних факторів. Зазначені фактори викликають перехід електронів з валентної зони в зону провідності. Крім цього, під впливом електричного поля може відбуватися ударна іонізація атомів, коли електрон або дірка, прискорюючись в сильному електричному полі до енергії, достатньої для процесу іонізації, стикається з атомом, що викликає народження електронно-діркової пари. Часто такий процес призводить до пробою електричних переходів (див. Гл. 2). У всіх цих випадках нерівноважні носії заряду є надлишковими над рівноважним носіями при даній температурі.

У більшості типів напівпровідникових приладів найбільш поширеним механізмом створення нерівноважних носіїв є інжекція їх з однієї напівпровідникової області в іншу під дією електричного поля, наприклад, інжекція електронів або дірок через електричний р -я-пере- хід (див. П. 2.2). Зазвичай в цих випадках інтерес представляє поведінка неосновних носіїв. Тому, якщо перевищення концентрації нерівноважних носіїв (А п р або Ар п ) над рівноважним концентраціями основних носіїв мало, т. Е. Якщо А п р = П р - " Р р0 ~ ЛГ а чи Ар" = р "- р п0 " п п0 ~ ЛГ Д , то зміна надлишкових концентрацій Дя р або Ар п в областях напівпровідника описується рівнянням генерації-рекомбінації. Для я області воно має вигляд

де т р - час життя нерівноважних неосновних носіїв (середній час від моменту появи неравновесного носія до його рекомбінації); З - швидкість їх генерації (визначає число нерівноважних носіїв, що виникають в одиницю часу в одиниці об'єму, вимірюється в см -3 • з -1 ); Ар п / х р - число рекомбінуючих носіїв в одиниці об'єму в одиницю часу. Для р-області можна записати аналогічне рівняння з відповідною заміною позначень.

Якщо розглядати процес після припинення іонізації, коли Про = 0, то рішення рівняння (1.8) має вигляд

де Др л (0) - надмірна концентрація дірок в момент £ = О, коли припиняються зовнішні впливи і С стає рівним нулю. Залежність (1.9), коли £ = т р , дозволяє визначити час життя як інтервал, протягом якого надмірна концентрація зменшується в е раз. Час життя неосновних носіїв т р для п-напівпровідника і т л для р-напівпровідника характеризує швидкість зміни концентрації, тому швидкодія більшості напівпровідникових приладів залежить від цього параметра. Якщо в початковий момент часу £ = 0 Др л (0) = 0 і почав діяти зовнішній енергетичний джерело, що викликає постійну швидкість генерації С, тоді рішення рівняння (1.8) можна представити в наступному вигляді:

У рівнянні (1.10) параметр т р визначає швидкість наростання надлишкової концентрації, кінцеве стале значення якої дорівнює Сх р . Таким чином, рівняння (1.9) описує зменшення концентрації надлишкових носіїв за рахунок рекомбінації, а рівняння (1.10) збільшення (наростання) надлишкової концентрації за рахунок генерації.

При рекомбінації відбувається перехід електронів із зони провідності в валентну зону з виділенням енергії, величина якої дорівнює ширині забороненої зони. Перехід електронів із зони в зону може відбуватися або безпосередньо із зони провідності в валентну зону, або східчасто в кілька стадій через центри рекомбінації (пастки), рівні яких розташовані в забороненій зоні. У першому випадку при безпосередній міжзонної рекомбінації електрон зустрічається відразу з діркою, а в другому випадку електрон спочатку зустрічається з пасткою, захоплюється нею, переходячи на рівень пастки, потім відбувається захоплення дірки пасткою, що відповідає переходу електрона з рівня пастки в валентну зону.

Якщо в процесі рекомбінації енергія виділяється у вигляді електромагнітного випромінювання, то рекомбінація називається випромінювальною. Якщо ж енергія рекомбінації передається кристалічній решітці з утворенням фононів (акустичних квантів енергії) або ж безпосередньо іншим електронам або діркам, то рекомбінація буде безізлучательной .

При рекомбінації на пастках в напівпровідниках р типу перша стадія полягає в переході електронів із зони провідності на рівні пасток, які в даному випадку майже всі вільні, оскільки рівень Фермі розташований поблизу валентної зони. Таким чином, в р-напівпровіднику відбувається захоплення неосновного носія (електрона) пасткою. Цей процес є повільним через малу концентрації електронів. Друга стадія процесу рекомбінації - перехід електрона з рівня пастки в валентну зону є швидким процесом, так як він визначається зіткненням дірок з пастками, а концентрація дірок в напівпровіднику р типу велика. Отже, швидкість рекомбінації носіїв і їх час життя т п визначаються першою стадією процесу, причому величина т я обернено пропорційна концентрації вільних пасток. З ростом температури час життя носіїв збільшується. Отже, час життя нерівноважних носіїв в р-напівпровідниках визначається часом життя т п неосновних носіїв - електронів, а в напівпровідниках п-типу - часом життя р неосновних носіїв - дірок. Таким чином, в напівпровіднику з будь-яким типом провідності першої і основної стадією рекомбінації, від якої залежить час життя нерівноважних носіїв, є захоплення неосновного носія пасткою. Для зміни швидкодії напівпровідникових приладів і інтегральних схем використовується введення спеціальних домішок, що створюють рівні пасток, які є центрами рекомбінації. Наприклад, в кремнії для цього використовуються атоми золота, що створюють два рівня поблизу середини забороненої зони, що дозволяє змінювати час життя нерівноважних носіїв в межах 10 " 3 -10" 2 з за рахунок зміни концентрації атомів золота.

 
< Попер   ЗМІСТ   Наст >