Генерация, рекомбинация и захват носителей заряда.

Процесс образования свободных электронов и дырок раздельно или одновременно называется генерацией. При термодинамическом равновесии свободные электроны и дырки в полупроводнике возникают вследствие тепловой генерации трех видов (рис.1):

1) переход электронов с донорного уровня Е_D в зону проводимости Е_C с образованием свободных электронов;

2) переход электронов из валентной зоны Е_V на акцепторный уровень Е_A с образованием свободных дырок;

3) переход электронов из валентной зоны Е_V в зону проводимости Е_C с образованием пар свободных электронов и дырок.

Согласно принципу детального равновесия каждому из трех рассмотренных процессов генераций соответствует обратный процесс - переход свободных носителей в связанное состояние. Рекомбинация – это переход электрона из зоны проводимости в валентную зону, в результате чего исчезает пара свободных носителей. Захват – это переход свободного носителя из зоны проводимости или валентной зоны на локальный энергетический уровень в запрещенной зоне. В условиях термодинамического равновесия процессы генерации, рекомбинации и захвата взаимно уравновешиваются. Это означает, что скорости тепловой генерации электронов g_n0и дырок g_p0 равны соответствующим скоростям рекомбинации (или захвата) электронов r_n0 и дырок r_p0.

, . (1)

При этом в полупроводнике устанавливается определенное распределение элек-тронов между валентной зоной, зоной проводимости и локальными энергетическими уровнями в запрещенной зоне.

Концентрации свободных электронов n₀ и дырок р₀ в условиях термодинамического равновесия определяется равновесной функцией распределения Ферми-Дирака или Максвелла-Больцмана f₀(Е,Т).

Равновесное состояние полупроводника может быть нарушено внешним воздействием - электрическим полем, облучением, инжекцией и другим, вызывающим дополнительную генерацию электронов и дырок со скоростями генерации G_n и G_p. При этом возникают неравновесные концентрации электронов n и дырок р. Поведение неравновесных носителей определяется неравновесной функцией распределения , которую находят из решения кинетического уравнения Больцмана. Функция определяет вероятность нахождения электрона (дырки) в элементарном объеме фазового пространства, содержащего точку в момент времени t.

Разности Dn=n-n₀ и Dp=p-p₀ называются избыточными концентрациями соответственно электронов и дырок.

Отношение избыточной концентрации неосновных носителей к равновесной концентрации основных носителей называется уровнем инжекции z: - для полупроводника n-типа проводимости; - для полупроводника p-типа проводимости. Уровень инжекции называется низким, если z<<1, средним - если z≈1 и высоким – если z>>1.