10.4 : Podstawy półprzewodników

Generowanie nośników to proces, w wyniku którego w półprzewodniku powstają pary elektron-dziura (EHP). W półprzewodnikach o bezpośredniej przerwie energetycznej, takich jak arsenek galu (GaAs), zachodzi to skutecznie, gdy absorpcja energii powoduje, że elektrony walencyjne przeskakują do pasma przewodnictwa, pozostawiając dziury.

Proces ten jest określony przez szybkość generacji G i jest efektywny ze względu na zachowanie pędu pomiędzy maksimum pasma walencyjnego a minimum pasma przewodnictwa.

Generowanie pośrednie obejmuje etap pośredni i jest typowe dla półprzewodników o pośredniej przerwie energetycznej, takich jak krzem (Si). Półprzewodniki z pośrednią przerwą wzbronioną wymagają dodatkowego pędu z fononów, przez co wytwarzanie nośnych jest mniej wydajne. Generowanie ślimaka i jonizacja uderzeniowa wytwarzają wiele EHP w środowiskach o wysokiej energii, takich jak silne pola elektryczne.

Rekombinacja to proces zmniejszający liczbę przewoźników bezpłatnych. Bezpośrednia rekombinacja międzypasmowa zachodzi w półprzewodnikach, takich jak arsenek galu, gdzie elektrony i dziury łączą się bezpośrednio, bez stanów pośrednich.

Szybkość rekombinacji dla półprzewodnika typu n, w którym nośnikami większościowymi są elektrony, wyraża się wzorem:

Gdzie B jest współczynnikiem rekombinacji, a n i p to odpowiednio stężenia elektronów i dziur. Rekombinacja pośrednia obejmuje pułapki: zlokalizowane stany energetyczne w pasmie wzbronionym. Nośniki są tymczasowo wychwytywane przez te stany, a następnie łączą się ponownie, uwalniając energię w postaci ciepła, co jest procesem niepromienistym.

Równowaga między wytwarzaniem a rekombinacją jest opisana przez:

W warunkach nierównowagowych nadmiar nośników powoduje szybkość rekombinacji netto U, która ma tendencję do przywracania równowagi. Przy wtryskiwaniu niskiego poziomu, gdzie stężenie nośnika mniejszościowego (Δp) jest znacznie niższe niż stężenie nośnika większościowego, szybkość wynosi:

Szybkości wytwarzania i rekombinacji nośników równoważą się w równowadze termicznej. Jeśli jednak siły zewnętrzne, takie jak światło lub pole elektryczne, zakłócają tę równowagę, półprzewodnik wchodzi w stan nierównowagi. Dynamika powrotu do równowagi obejmuje złożone interakcje pomiędzy mechanizmami generowania i rekombinacji.