Как отмечалось выше (см. п. 1.6.1) для полупроводников характерен процесс генерации носителей заряда (электронов и дырок), происходящий под влиянием различных возбуждающих воздействий. К таким воздействиям относится тепловое возбуждение, освещение или облучение полупроводника ионизирующими частицами, воздействие электрических или магнитных полей, инжекция носителей заряда через контакт двух полупроводников - p-n переход. Процесс генерации характеризуется скоростью генерации G, представляющей количество носителей, созданных в единице объема полупроводника в единицу времени, м-3сек-1.
Одновременно с процессом генерации всегда протекает обратный процесс - рекомбинация носителей заряда. Рекомбинация заключается в том, что электроны, перешедшие в зону проводимости или на акцепторные уровни, вновь возвращаются в валентную зону или на донорные уровни. Этот процесс приводит к уменьшению концентрации свободных носителей заряда и характеризуется скоростью рекомбинации R, представляющей количество носителей, рекомбинирующих в единице объема полупроводника в единицу времени, м-3сек-1.
Динамическое равновесие между процессами генерации и рекомбинации при постоянной температуре характеризуется равенством G=R и приводит к установлению равновесной концентрации носителей, - электронов no и дырок po. Такие носители заряда называются равновесными. При воздействии на полупроводник других нетепловых факторов возбуждения носителей (освещение, инжекция через p-n переход и т. д.) в полупроводнике появляются дополнительные - неравновесные носители заряда, характеризующиеся избыточной концентрацией электронов n и дырок p. Полная концентрация электронов n и дырок p в полупроводнике, содержащем неравновесные носители заряда равна, соответственно
n=no+n, p=po+p. (2.38)
После прекращения нетеплового возбуждения концентрация носителей заряда в полупроводнике возвращается к значению, характерному для равновесного состояния. В результате избыточные концентрации носителей заряда n и p за счет процесса рекомбинации спадают до нуля. Средняя длительность времени релаксации этого процесса носит название среднего времени жизни носителей заряда, .
Число центров рекомбинации wn и wp, встречающихся на пути неравновесных электронов и дырок в единицу времени, выражается соотношениями
wn=rpo, wp=rno, сек-1, (2.39)
где r - коэффициент рекомбинации носителей заряда, м3/с, значение которого определяется из выражения (1.41).
Из (2.39) следует, что средние времена жизни электронов n и дырок p до завершения процесса рекомбинации определяются следующими выражениями
n=1/wn=1/rpo, p=1/wp=1/rno, (2.40)
Значения времен жизни неравновесных носителей заряда определяют величину быстродействия полупроводникового прибора - чем меньше время жизни , тем выше предельная частота fпр тока или напряжения, на которой можно применять данный прибор, поскольку fпр 1/.
Из выражений (2.40) следует, что значение коэффициента рекомбинации r можно рассчитать по формулам r=1/pоn или r=1/nоp. Подставляя эти значения r в формулу (1.36) и полагая ni=nо, pi=pо, получим, что скорость рекомбинации R носителей заряда в полупроводнике может быть рассчитана из выражения
 , м-3сек-1. (2.41)
Таким образом, скорость рекомбинации R носителей заряда прямо пропорциональна равновесным концентрациям носителей заряда nои pо и обратно пропорциональна их временам жизни nи р.
Различают три разновидности процессов рекомбинации, происходящих в объеме или на поверхности полупроводника: непосредственная (прямая) рекомбинация; рекомбинация через локальные примесные уровни; поверхностная рекомбинация.
|
Скачать 0.99 Mb.