Большая техническая энциклопедия
2 3 6
A N P Q R S U
А Б В Г Д Е Ж З И К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я
УГ УД УЗ УК УЛ УМ УН УП УР УС УТ УУ УХ УЧ УШ УЩ УЭ

Ударная рекомбинация

 
Ударная рекомбинация характеризуется передачей энергии, высвобождающейся при рекомбинации другому носителю, который рассеивает ее впоследствии при взаимодействии с колебаниями решетки. Ударная рекомбинация представляет собой процесс, обратный процессу ударной ионизации. Согласно [1791] этот механизм рекомбинации может играть существенную роль в Ge, причем сечения захвата в этом случае должны быть пропорциональными концентрации носителей тока. Найденная в [1748] независимость сечения захвата от концентрации показывает, что, по крайней мере, до: 1017 см-3 ударная рекомбинация в Ge не является доминирующей.
Процесс ударной рекомбинации предполагает участие трех носителей заряда: рекомбинирующую пару электрон - дырка и еще один электрон или дырку, которым передается энергия, выделяющаяся при рекомбинации.
Возможные механизмы ударной ионизации. а-переходы электрона, теряющего энергию. б - ионизация основных и примесных центров решетки. Механизмы ударной рекомбинации весьма разнообразны. В принципе любому рекомбинационному процессу, сопровождающемуся испусканием фотонов, можно сопоставить процесс Оже, при котором энергия высвобождается и передается электрону или дырке.
В результате ударной рекомбинации высоко в зоне проводимости появляются электроны, а в глубине валентной зоны - дырки. Основная часть таких горячих носителей быстро термализуется, электроны опускаются на дно зоны проводимости, а дырки поднимаются к потолку валентной зоны. Однако существует конечная вероятность непосредственной рекомбинации горячих носителей с термализованными носителями противоположного знака: горячий электрон совершает переход на состояние вблизи. Оно возникает в результате рекомбинации электронов с дырками, заброшенными в отщепленную подзону валентной зоны.
Значения коэффициентов ударной рекомбинации Сп и Ср, приводимые различными исследователями, сильно различаются.
В принципе возможна ударная рекомбинация с участием двух дырок и одного электройа. Однако учет второго типа рекомбинации не дает качественно новых результатов.
Зависимость времени жизни от концентрации носителей при ударной рекомбинации для различных уровней инжекции. Время жизни при ударной рекомбинации соответственно будет обратно пропорционально вероятности рекомбинации.
В чем состоит сущность межзонной ударной рекомбинации.
Схема межзонной рекомбинации. Первый электрон рекомбииирует с дыркой и совершает переход из состояния 1 в состояние 1. Энергия и импульс передаются второму электрону, совершающему переход 2 - У. В теории Битти и Смита [313] ударная рекомбинация рассчитана для случая, когда в процессе Оже участвует зона легких дырок. Энергия рекомбинации передается дырке, которая совершает переход между подзонами двукратно вырожденной зоны. При расчетах вводится поправка на непараболичность зон.
Найдем теперь время жизни по отношению к ударной рекомбинации и определим характер кривых релаксации для крайних случаев высокого и низкого уровня возбуждения.
Только при выполнении условия me mv в ударной рекомбинации могут участвовать состояния на дне зоны проводимости и у потолка валентной зоны.
Излучательная характеристика.
Кроме того, с ростом тока увеличивается вероятность ударной рекомбинации, что также уменьшает излучательную способность. Совместное действие рассмотренных механизмов влияния прямого тока на силу излучения приводит к тому, что излучательная характеристика имеет максимум при некотором определенном токе. Максимальная сила излучения зависит от площади и геометрии излучающего р - n перехода и от размеров электрических контактов.
Результаты исследования кинетики рекомбинации атомов Н и D на Ag. При низких температурах преобладает адсорбция, при высоких - ударная рекомбинация. В последнем случае значения &0 весьма близки к числу ударов о поверхность.
С повышением температуры кинетическая энергия свободных носителей и вероятность ударной рекомбинации возрастает. Это также сопровождается уменьшением квантового выхода люминесценции.
На рис. 113, а и б изображены два возможных варианта ударной рекомбинации с передачей энергии электрону и дырке соответственно.
Это все же не мешает выяснению основных особенностей процесса, следующих из специфики кинетических уравнений для ударной рекомбинации.
В полупроводниках со сложной зонной структурой и различными массами носителей для определения уровня, с которого может идти межзонная ударная рекомбинация, необходимо рассматривать законы сохранения энергии и импульса применительно к конкретной структуре зон. Для германия и кремния качественно этот вопрос проанализирован в работе [312] и показано, почему рекомбинация Оже в кремнии на несколько порядков более интенсивна, чем в германии.
Зависимость подвижности ( а и коэффициентов диффузии электронов и дырок ( б от концентрации носителей заряда в кремнии при 300 К. При больших концентрациях электронов и ( или) дырок в полупроводниках вступает в действие еще один механизм рекомбинации - межзонная ударная рекомбинация ( Оже-рекомбинация), при этом происходит столкновение одновременно двух свободных электронов и одной дырки или двух дырок и одного свободного электрона, в результате чего имеет место рекомбинация электрона и дырки и переход третьего носителя на более высокий уровень энергии в соответствующей зоне. Этот третий носитель в результате столкновений с решеткой передает ей избыточную энергию и приходит в равновесное состояние с решеткой.
Сравнение этих выражений с аналогичными для излучательной рекомбинации (6.24) и (6.25) показывает их существенное отличие: времена жизни при ударной рекомбинации в легированных полупроводниках обратно пропорциональны квадрату равновесной концентрации носителей заряда, в то время как при излучательной рекомбинации они пропорциональны первой степени концентрации.
Теоретический расчет и данные эксперимента показывают, что в узкозонных полупроводниках межзонная излучательная рекомбинация и рекомбинация Оже почти одинаково существенны при высоких температурах, однако ударная рекомбинация Оже дает преобладающий вклад при дальнейшем повышении температуры. Излучательная и ударная рекомбинации возможны и при рекомбинации через примесные уровни.
Ударная рекомбинация характеризуется передачей энергии, высвобождающейся при рекомбинации другому носителю, который рассеивает ее впоследствии при взаимодействии с колебаниями решетки. Ударная рекомбинация представляет собой процесс, обратный процессу ударной ионизации. Согласно [1791] этот механизм рекомбинации может играть существенную роль в Ge, причем сечения захвата в этом случае должны быть пропорциональными концентрации носителей тока. Найденная в [1748] независимость сечения захвата от концентрации показывает, что, по крайней мере, до: 1017 см-3 ударная рекомбинация в Ge не является доминирующей.
Зависимость времени жизни.| Зависимость времени жизни носителей заряда от их концентрации в гипотетическом полупроводнике с параметрами германия, но с прямыми межзонными переходами. Излучательная межзонная рекомбинация ( кривая /) может быть значительна для общего времени жизни лишь при концентрациях носителей, превышающих 1018 см-3. Ударная рекомбинация на глубоких примесях в германии ( кривая 4), по-видимому, вообще является маловероятным процессом.
Схема нзлучательной и Оже-рекомбинации в трехуровневой модели собственного полупроводника ( а н в модели параболических зон ( б.
В полупроводниках при мощном возбуждении создаются большие концентрации электронов и дырок к увеличивается взаимодействие между ними. Очевидно, ударная рекомбинация будет препятствовать увеличению концентрации свободных носителей в зонах и может резко изменить зависимости коэффициента и мощности поглощения от интенсивности возбуждающего света.
В случае ударной рекомбинации на локальных центрах высвобождающаяся энергия передается электрону ( или дырке), находящемуся в непосредственной близости от центра рекомбинации.
Будем считать, что ударной рекомбинации соответствует обратный процесс - ударная ионизация.
Зависимость коэффициента отражения re - InSb от длины волны в области собственной частоты колебаний плазмы для г4. 1018 ( /, 2 8 - 1018 ( 2, 1 2 - 1018 ( 3, 4 2 - К 1. ( 4, 3 5 - 1017 ( 5 см-3. Все это однозначно доказывает, что в полупроводниках происходят процессы рекомбинации носителей, которые не сопровождаются испусканием квантов света. К числу таких процессов относится ударная рекомбинация. Этот механизм рекомбинации связан с взаимодействием трех носителей: двух электронов и одной дырки или двух дырок и одного электрона. Электрон и дырка рекомбинируют, а освободившаяся энергия и импульс передаются третьему носителю. Ударной рекомбинации соответствует обратный процесс - ударная ионизация: электрон или дырка, обладающие запасом кинетической энергии, вызывают рождение электронно-дырочной пары или ионизируют примесь.
На графике пунктиром показаны две теоретические температурные зависимости т с разным наклоном, соответствующие двум известным собственным механизмам рекомбинации: излу-чательному и ударному. Видно, что кривая для ударной рекомбинации хорошо соответствует экспериментальным данным.
Спектральные глаза. Дальнейшее увеличение / пр приводит к постепенному насыщению центров люминесценции и снижению излучатель-ной способности диода. Кроме того, с ростом тока увеличивается вероятность ударной рекомбинации, что также уменьшает излучательную способность. Совместное действие рассмотренных механизмов влияния прямого тока на силу излучения приводит к тому, что излучательная характеристика имеет максимум при некотором токе. Максимальная сила излучения зависит от площади и геометрии излучающего р-п перехода и от размеров электрических контактов.
Межзонная излучательная рекомбинация наиболее существенна для полупроводников с узкой запрещенной зоной при комнатной температуре и выше. При более низких температурах преобладают другие процессы, такие, как межзонная ударная рекомбинация и рекомбинация носителей заряда через ловушки.
Из (6.59) видно, что времена жизни существенно зависят от температуры и от ширины запрещенной зоны. Можно сделать вывод, что в полупроводниках с узкой запрещенной зоной вероятность ударной рекомбинации возрастает. Вероятность ударной рекомбинации увеличивается с ростом температуры. Это следует из (6.59), в котором основную роль играет экспоненциальный множитель.
Из (6.59) видно, что времена жизни существенно зависят от температуры и от ширины запрещенной зоны. Можно сделать вывод, что в полупроводниках с узкой запрещенной зоной вероятность ударной рекомбинации возрастает. Вероятность ударной рекомбинации увеличивается с ростом температуры. Это следует из (6.59), в котором основную роль играет экспоненциальный множитель.
Далее, благодаря одинаковой температурной зависимости этих коэффициентов указанное соотношение, очевидно, сохранится во всей интересующей нас области температур. Однако коэффициент ударной рекомбинации B i отнюдь не обязательно мал по сравнению с B ( i. Bin становится ранным Вр. Такие концентрации действительно могут иметь место при наличии фона, так что если нет точных данных о концентрации свободных носителей тока, то заранее не ясно, какой ни механизмов рекомбинации преобладает при 4 2 К. Даже в отсутствие фона благодаря экспоненциальной температурной зависимости п ударная рекомбинация может преобладать при более высоких температурах. Минимальная температура У, при которой этот эффект наблюдается, для германия составляет примерно 7 К, для кремния-около 30 К.
Схема гомогенной рекомбинации через метаста-бильную молекулу А2 М. При втором варианте адсорбируются независимо два атома водорода, которые в хемосорбиро-ванном состоянии рекомбинируют в молекулу. При малых заполнениях для этого требуется дополнительная поверхностная диффузия, сближающая атомы до прямого соседства. В первом варианте появляется Ег - энергия активации ударной рекомбинации, во втором - Е2 - рекомбинации в слое ( Ez EI) и Е ползания. Несмотря на то что в катализе безактивационный процесс заменяется активационным, происходит резкое ускорение с заменой простого одностадийного процесса более сложными трех - и четырехстадийными.
Горячие электроны, возникшие в результате рекомбинации Оже, могут преодолеть работу выхода и покинуть кристалл. Исследование распределения эмитированных электронов по скоростям позволяет получить важную информацию о механизме ударной рекомбинации.

Прямая рекомбинация носителей происходит благодаря одноступенчатому переходу электрона из зоны проводимости в валентную зону. Причем избыточная энергия, выделяющаяся при рекомбинации и равная ширине запрещенной зоны полупроводника АЕ, затрачивается либо на образование лавины фоно-нов, либо на испускание фотона; в соответствии с этим рекомбинация называется безызлучательной или излучательной. Энергия рекомбинирующей пары носителей может быть также передана третьему носителю заряда в результате процесса соударения, или ударной рекомбинации.
Если эффективные массы электронов и дырок равны, то межзонная рекомбинация Оже идет в основном с уровней энергии, отстоящих на 1 / 6 ширины запрещенной зоны от экстремумов зон. С увеличением ширины запрещенной зоны уровень, с которого рекомбинируют частицы, смещается к более высоким энергиям, заселенность его падает, что резко снижает скорость рекомбинации. Поскольку с понижением температуры электроны и дырки локализуются около экстремальных точек зон, где они не могут участвовать в ударной рекомбинации, скорость рекомбинации Оже характеризуется весьма резкой температурной зависимостью.
Таким образом, в материалах, технология получения которых недостаточно совершенная или в которые специально добавлены примеси с глубокими уровнями, рекомбинация через примесные центры будет преобладать над межзонной рекомбинацией даже в случае, когда А. Оценки показывают, что межзонная рекомбинация преимущественно идет путем излучательной рекомбинации или ударной рекомбинации Оже. На рис. 44 также приведена схема этих механизмов рекомбинации. Переход / ( см. рис. 44) соответствует излучательной межзонной рекомбинации. Переходы 2 и 3 соответствуют межзонной ударной рекомбинации Оже. В переходе 2 энергия, выделяемая в акте рекомбинации электронно-дырочной пары, передается третьей частице - электрону, а в переходе 3 в качестве третьей частицы, поглощающей энергию, выступает дырка.
Неравновесные носители ( электроны и дырки), созданные внешним полем или другими источниками, живут конечное время. Среднее время жизни называют временем рекомбинации тг. Избыточная энергия может передаваться решетке, электронно-дырочному газу или некогерентному ЭМП. В зависимости от способа передачи энергии различают соответственно безызлуча-тельную рекомбинацию через примесные уровни, ударную рекомбинацию ( типа Оже) и излучательную. Для теории, развиваемой в книге, конкретный механизм рекомбинации не играет роли, поэтому будем рассматривать для определенности излучательную рекомбинацию, которую можно учесть наиболее последовательно и которая вносит заметный вклад в полупроводниках типа AlnBv в интересующих нас интервалах концентраций электронов и температур.
Ударная рекомбинация характеризуется передачей энергии, высвобождающейся при рекомбинации другому носителю, который рассеивает ее впоследствии при взаимодействии с колебаниями решетки. Ударная рекомбинация представляет собой процесс, обратный процессу ударной ионизации. Согласно [1791] этот механизм рекомбинации может играть существенную роль в Ge, причем сечения захвата в этом случае должны быть пропорциональными концентрации носителей тока. Найденная в [1748] независимость сечения захвата от концентрации показывает, что, по крайней мере, до: 1017 см-3 ударная рекомбинация в Ge не является доминирующей.
Как уже отмечалось ( § 10), во многих полупроводниках в результате спин-орбитального взаимодействия валентная зона расщеплена. В InSb энергия расщепления А значительно больше ширины запрещенной зоны. Поэтому заброс дырок из зоны тяжелых дырок в отщепленную подзону маловероятен и его можно не учитывать. В случае InAs, GaSb, GaAs и некоторых других полупроводников значение А близко к Eg и влияние отщепленной зоны в ударной рекомбинации становится значительным.
Все это однозначно доказывает, что в полупроводниках происходят процессы рекомбинации носителей, которые не сопровождаются испусканием квантов света. К числу таких процессов относится ударная рекомбинация. Этот механизм рекомбинации связан с взаимодействием трех носителей: двух электронов и одной дырки или двух дырок и одного электрона. Электрон и дырка рекомбинируют, а освободившаяся энергия и импульс передаются третьему носителю. Ударной рекомбинации соответствует обратный процесс - ударная ионизация: электрон или дырка, обладающие запасом кинетической энергии, вызывают рождение электронно-дырочной пары или ионизируют примесь.
Технология получения полупроводниковых материалов, разработанная в настоящее время, не позволяет избежать преобладающей рекомбинации на рекомбинационных центрах при А. Таким образом, в материалах, технология получения которых недостаточно совершенная или в которые специально добавлены примеси с глубокими уровнями, рекомбинация через примесные центры будет преобладать над межзонной рекомбинацией даже в случае, когда A. Оценки показывают, что межзонная рекомбинация преимущественно идет путем излучательной рекомбинации или ударной рекомбинации Оже. На рис. 51 также приведена схема этих механизмов рекомбинации. Переход / ( см. рис. 51) соответствует излучательной межзонной рекомбинации. Переходы 2 и 3 соответствуют межзонной ударной рекомбинации Оже. В переходе 2 энергия, выделяемая в акте рекомбинации электронно-дырочной пары, передается третьей частице - электрону, а в переходе 3 в качестве третьей частицы, поглощающей энергию, выступает дырка.
Очевидно, для различных конкретных механизмов генерации и рекомбинации кривые нарастания и спада избыточной концентрации будут иметь различный вид и, исследуя эти кривые, можно определять мгновенное время жизни. Изучая его зависимость от времени, температуры и концентрации носителей заряда, можно найти закон рекомбинации, на основании которого делаются выводы о возможном механизме рекомбинации в данном полупроводнике. Например, линейная рекомбинация может свидетельствовать об участии в рекомбинации рекомбинационных центров и невысоком уровне возбуждения. Квадратичная рекомбинация свойственна прямой межзонной рекомбинации, которая часто бывает излучательной. Ударная ионизация Оже, требующая участия трех свободных носителей заряда, должна следовать кубическому закону, и времена жизни легированных полупроводниках при ударной рекомбинации будут обратно пропорциональны квадрату концентрации основных носителей заряда, тогда как при прямой излучательной рекомбинации они.
Далее, благодаря одинаковой температурной зависимости этих коэффициентов указанное соотношение, очевидно, сохранится во всей интересующей нас области температур. Однако коэффициент ударной рекомбинации B i отнюдь не обязательно мал по сравнению с B ( i. Bin становится ранным Вр. Такие концентрации действительно могут иметь место при наличии фона, так что если нет точных данных о концентрации свободных носителей тока, то заранее не ясно, какой ни механизмов рекомбинации преобладает при 4 2 К. Даже в отсутствие фона благодаря экспоненциальной температурной зависимости п ударная рекомбинация может преобладать при более высоких температурах. Минимальная температура У, при которой этот эффект наблюдается, для германия составляет примерно 7 К, для кремния-около 30 К.
Таким образом, в материалах, технология получения которых недостаточно совершенная или в которые специально добавлены примеси с глубокими уровнями, рекомбинация через примесные центры будет преобладать над межзонной рекомбинацией даже в случае, когда А. Оценки показывают, что межзонная рекомбинация преимущественно идет путем излучательной рекомбинации или ударной рекомбинации Оже. На рис. 44 также приведена схема этих механизмов рекомбинации. Переход / ( см. рис. 44) соответствует излучательной межзонной рекомбинации. Переходы 2 и 3 соответствуют межзонной ударной рекомбинации Оже. В переходе 2 энергия, выделяемая в акте рекомбинации электронно-дырочной пары, передается третьей частице - электрону, а в переходе 3 в качестве третьей частицы, поглощающей энергию, выступает дырка.
Технология получения полупроводниковых материалов, разработанная в настоящее время, не позволяет избежать преобладающей рекомбинации на рекомбинационных центрах при А. Таким образом, в материалах, технология получения которых недостаточно совершенная или в которые специально добавлены примеси с глубокими уровнями, рекомбинация через примесные центры будет преобладать над межзонной рекомбинацией даже в случае, когда A. Оценки показывают, что межзонная рекомбинация преимущественно идет путем излучательной рекомбинации или ударной рекомбинации Оже. На рис. 51 также приведена схема этих механизмов рекомбинации. Переход / ( см. рис. 51) соответствует излучательной межзонной рекомбинации. Переходы 2 и 3 соответствуют межзонной ударной рекомбинации Оже. В переходе 2 энергия, выделяемая в акте рекомбинации электронно-дырочной пары, передается третьей частице - электрону, а в переходе 3 в качестве третьей частицы, поглощающей энергию, выступает дырка.
 
Loading
на заглавную 10 самыхСловариО сайтеОбратная связь к началу страницы

© 2008 - 2014
словарь online
словарь
одноклассники
XHTML | CSS
Лицензиар ngpedia.ru
1.8.11