10.4 : Noções básicas de semicondutores

A geração de portadora é o processo pelo qual pares elétron-buraco (EHPs) são criados dentro do semicondutor. Em semicondutores de bandgap direto, como o arsenieto de gálio (GaAs), isso ocorre de forma eficiente quando a absorção de energia faz com que os elétrons de valência saltem para a banda de condução, deixando para trás buracos.

Este processo é dado pela taxa de geração G e é eficiente devido à conservação do momento entre o máximo da banda de valência e o mínimo da banda de condução.

A geração indireta envolve uma etapa intermediária e é típica em semicondutores de bandgap indireto como o silício (Si). Os semicondutores de bandgap indireto requerem impulso adicional dos fônons, tornando a geração de portadora menos eficiente. A geração de Auger e a ionização por impacto produzem vários EHPs em ambientes de alta energia, como campos elétricos fortes.

A recombinação é o processo que reduz o número de operadoras gratuitas. A recombinação direta banda a banda ocorre em semicondutores como o arsenieto de gálio, onde elétrons e buracos se recombinam diretamente, sem estados intermediários.

A taxa de recombinação para um semicondutor do tipo n, onde os elétrons são os portadores majoritários, é dada por:

Onde B é o coeficiente de recombinação e n e p são as concentrações de elétrons e lacunas, respectivamente. A recombinação indireta envolve armadilhas: estados de energia localizados dentro do bandgap. Os portadores são temporariamente capturados por esses estados e depois se recombinam, liberando energia na forma de calor, um processo não radiativo.

O equilíbrio entre geração e recombinação é descrito por:

Em condições de não equilíbrio, o excesso de portadores causa uma taxa líquida de recombinação U, que tende a restaurar o equilíbrio. Na injeção de baixo nível, onde a concentração de portadores minoritários (Δp) é significativamente menor que a concentração de portadores majoritários, a taxa é:

A geração de portadores e as taxas de recombinação são equilibradas no equilíbrio térmico. No entanto, quando forças externas, como luz ou campos eléctricos, perturbam este equilíbrio, o semicondutor entra num estado de não equilíbrio. A dinâmica de retorno ao equilíbrio envolve interações complexas entre esses mecanismos de geração e recombinação.