10.4 : Conceptos básicos de semiconductores

La generación de portadores es el proceso mediante el cual se crean pares electrón-hueco (EHP) dentro del semiconductor. En los semiconductores de banda prohibida directa, como el arseniuro de galio (GaAs), esto ocurre de manera eficiente cuando la absorción de energía hace que los electrones de valencia salten a la banda de conducción, dejando agujeros.

Este proceso está dado por la tasa de generación G y es eficiente debido a la conservación del momento entre el máximo de la banda de valencia y el mínimo de la banda de conducción.

La generación indirecta implica un paso intermedio y es típica de los semiconductores de banda prohibida indirecta como el silicio (Si). Los semiconductores de banda prohibida indirecta requieren un impulso adicional de los fonones, lo que hace que la generación de portadoras sea menos eficiente. La generación de barrena y la ionización por impacto producen múltiples EHP en entornos de alta energía, como campos eléctricos intensos.

La recombinación es el proceso que reduce el número de transportistas gratuitos. La recombinación directa de banda a banda ocurre en semiconductores como el arseniuro de galio, donde los electrones y los huecos se recombinan directamente sin estados intermedios.

La tasa de recombinación para un semiconductor tipo n, donde los electrones son los portadores mayoritarios, viene dada por:

Donde B es el coeficiente de recombinación, y “n” y “p”, son las concentraciones de electrones y huecos, respectivamente. La recombinación indirecta implica trampas: estados de energía localizados dentro de la banda prohibida. Los portadores son capturados temporalmente por estos estados y luego se recombinan, liberando energía en forma de calor, un proceso no radiativo.

El equilibrio entre generación y recombinación se describe por:

En condiciones de no equilibrio, el exceso de portadores provoca una tasa de recombinación neta U, que tiende a restablecer el equilibrio. En inyección de bajo nivel, donde la concentración de portador minoritario (Δp) es significativamente menor que la concentración de portador mayoritario, la tasa es:

Las tasas de generación de portadores y recombinación están equilibradas en el equilibrio térmico. Sin embargo, cuando fuerzas externas como la luz o los campos eléctricos perturban este equilibrio, el semiconductor entra en un estado de no equilibrio. La dinámica de retorno al equilibrio implica interacciones complejas entre estos mecanismos de generación y recombinación.