Неравновесные носители заряда

Неравновесные носители в полупроводниках могут возникать под воздействием внешних электрических полей, неионизирующего электромагнитного излучения (включая оптический диапазон), ионизирующего излучения и других энергетических факторов. Указанные факторы вызывают переход электронов из валентной зоны в зону проводимости. Помимо этого, под воздействием электрического поля может происходить ударная ионизация атомов, когда электрон или дырка, ускоряясь в сильном электрическом поле до энергии, достаточной для процесса ионизации, сталкивается с атомом, что вызывает рождение электронно-дырочной пары. Часто такой процесс приводит к пробою электрических переходов (см. гл. 2). Во всех этих случаях неравновесные носители заряда являются избыточными над равновесными носителями при данной температуре.

В большинстве типов полупроводниковых приборов наиболее распространенным механизмом создания неравновесных носителей является инжекция их из одной полупроводниковой области в другую под действием электрического поля, например, инжекция электронов или дырок через электрический р—я-переход (см. п. 2.2). Обычно в этих случаях интерес представляет поведение неосновных носителей. Поэтому, если превышение концентрации неравновесных носителей (Ап_р или Ар_п) над равновесными концентрациями основных носителей мало, т. е. если, А п_р = П_р-" Р_р0 ~ ЛГ_а или Ар" = р" - р_п0 «п_п0 ~ ЛГ_Д, то изменение избыточных концентраций Дя_р или Ар_п в областях полупроводника описывается уравнением генерации-рекомбинации. Для я области оно имеет вид.

где т_р — время жизни неравновесных неосновных носителей (среднее время от момента появления неравновесного носителя до его рекомбинации); С — скорость их генерации (определяет число неравновесных носителей, возникающих в единицу времени в единице объема, измеряется в см^-3 • с^-1); Ар_п/х_р — число рекомбинирующих носителей в единице объема в единицу времени. Для р-области можно записать аналогичное уравнение с соответствующей заменой обозначений.

Если рассматривать процесс после прекращения ионизации, когда О = 0, то решение уравнения (1.8) имеет вид.

где Др_л(0) — избыточная концентрация дырок в момент? = О, когда прекращаются внешние воздействия и С становится равным нулю. Зависимость (1.9), когда? = т_р, позволяет определить время жизни как интервал, в течение которого избыточная концентрация уменьшается в е раз. Время жизни неосновных носителей т_р для п-полупроводника и т_л для р-полупроводника характеризует скорость изменения концентрации, поэтому быстродействие большинства полупроводниковых приборов зависит от этого параметра. Если в начальный момент времени? = 0 Др_л(0) = 0 и начал действовать внешний энергетический источник, вызывающий постоянную скорость генерации С, тогда решение уравнения (1.8) можно представить в следующем виде:

В уравнении (1.10) параметр т_р определяет скорость нарастания избыточной концентрации, конечное установившееся значение которой равно Сх_р. Таким образом, уравнение (1.9) описывает уменьшение концентрации избыточных носителей за счет рекомбинации, а уравнение (1.10) увеличение (нарастание) избыточной концентрации за счет генерации.

При рекомбинации происходит переход электронов из зоны проводимости в валентную зону с выделением энергии, величина которой равна ширине запрещенной зоны. Переход электронов из зоны в зону может происходить либо непосредственно из зоны проводимости в валентную зону, либо ступенчато в несколько стадий через центры рекомбинации (ловушки), уровни которых расположены в запрещенной зоне. В первом случае при непосредственной межзонной рекомбинации электрон встречается сразу с дыркой, а во втором случае электрон сначала встречается с ловушкой, захватывается ею, переходя на уровень ловушки, затем происходит захват дырки ловушкой, что соответствует переходу электрона с уровня ловушки в валентную зону.

Если в процессе рекомбинации энергия выделяется в виде электромагнитного излучения, то рекомбинация называется излучательной. Если же энергия рекомбинации передается кристаллической решетке с образованием фононов (акустических квантов энергии) или же непосредственно другим электронам или дыркам, то рекомбинация будет безизлучательной.

При рекомбинации на ловушках в полупроводниках р типа первая стадия заключается в переходе электронов из зоны проводимости на уровни ловушек, которые в данном случае почти все свободны, поскольку уровень Ферми расположен вблизи валентной зоны. Таким образом, в р-полупроводнике происходит захват неосновного носителя (электрона) ловушкой. Этот процесс является медленным из-за малой концентрации электронов. Вторая стадия процесса рекомбинации — переход электрона с уровня ловушки в валентную зону является быстрым процессом, так как он определяется столкновением дырок с ловушками, а концентрация дырок в полупроводнике р типа велика. Следовательно, скорость рекомбинации носителей и их время жизни т_п определяются первой стадией процесса, причем величина т_я обратно пропорциональна концентрации свободных ловушек. С ростом температуры время жизни носителей увеличивается. Итак, время жизни неравновесных носителей в р-полупроводниках определяется временем жизни т_п неосновных носителей — электронов, а в полупроводниках п-типа — временем жизни _р неосновных носителей — дырок. Таким образом, в полупроводнике с любым типом проводимости первой и основной стадией рекомбинации, от которой зависит время жизни неравновесных носителей, является захват неосновного носителя ловушкой. Для изменения быстродействия полупроводниковых приборов и интегральных схем используется введение специальных примесей, создающих уровни ловушек, являющихся центрами рекомбинации. Например, в кремнии для этого используются атомы золота, создающие два уровня вблизи середины запрещенной зоны, что позволяет изменять время жизни неравновесных носителей в пределах 10″³—10″ ²с за счет изменения концентрации атомов золота.