La orice temperatură peste zero absolut apar în procesele semiconductoare de generare și recombinare purtătorilor și prizat rezultat concentrațiile de echilibru ale electronilor și găuri n 0 = P0. Pe lângă căldură generarea și alte mecanisme sunt posibile apariții a purtătorilor de sarcină :. Prin iradiere cu lumină, atunci când sunt expuse la un câmp electric puternic, tensiuni mecanice, etc. Acțiunea acestor factori externi determină, neechilibru purtători suplimentari de sarcină, concentrația este excesivă în raport cu echilibrul: # 916; n = n - n; P = p - p 0. n și p sunt concentrațiile totale (neechilibrate) ale electronilor și găurilor care se produc sub influența temperaturii și a altor factori. La generarea transportatorul electronii se deplasează la un nivel de energie mai mare, astfel încât acest proces are loc cu un consum de energie, respectiv recombinare are loc cu eliberarea de energie, deoarece transportatorii trec de la un nivel superior la un nivel mai mic de energie. În ceea ce privește fenomenele optice în semiconductori, acesta din urmă împrejurare conduce la faptul că semiconductori pot absorbi și emite energie de lumină în funcție de predominanța uneia asupra celorlalte procese de generare și recombinare. Luați în considerare aceste procese.
Absorbția luminii. Lumina, care pătrunde în semiconductor, intră într-o interacțiune de schimb (energie) cu rețeaua cristalină. Fie Po puterea fluxului de lumină care apare pe cristal. Fluxul de lumină care trece prin cristal este slăbit de procesul de absorbție. Se separă în cristal un strat subțire dx la o distanță x față de suprafața pe care se află
fluxul de lumină (Figura 3.8). În acest strat, o parte din energia fluxului luminos incident este absorbită dP = - # 945; W dx. aici # 945; Este coeficientul de absorbție. care este numeric egal cu variația relativă a puterii fluxului luminos pe unitatea de drum parcursă de ea în cristal (dimensiunea m -1 cm -1). Absorbția radiației în semiconductori este asociată cu o schimbare a stării electronilor, precum și cu
schimbarea energiei vibraționale a atomilor de zăbrele. În acest sens, se disting mai multe mecanisme de absorbție a luminii de către semiconductori. În Fig. 3.9 prezintă diagramele de bandă care ilustrează diferitele tipuri de procese de absorbție a luminii.
Figura 3.9. Diferite mecanisme de absorbție a luminii de către semiconductori: - a) absorbția intrinsecă; b) absorbția excitonului; - c), d) absorbția impurităților.
Absorbția intrinsecă se datorează tranzițiilor electronilor de la banda de valență la banda de conducție, adică energia luminii este folosită pentru excitarea electronilor de valență în banda de conducere. Conform legii conservării energiei, energia fotonică (φ) h # 965; ar trebui să fie în acest caz nu mai mică decât lățimea zonei interzise W = Wc - Wv, adică h # 965; ≥ W (Wc este fundul benzii de conducere, Wv este plafonul benzii de valență, h este energia fotonică). Prin urmare, lungimea maximă a valului (marginea roșie) a absorbției proprii:
Tranzițiile de la banda de valență la banda de conducere pot fi directe și indirecte. Tranzițiile considerate sunt directe, ele sunt realizate sub acțiunea energiei fotonice pe un electron care are același quasimoment (vector de undă) ca și gaura pe care o lasă. Dacă banda de valență și banda de conducție au o structură complexă, tranzițiile indirecte pot să apară sub acțiunea comună a unui foton și a unei "porțiuni" de energie termică (fonon). Deoarece o tranziție indirectă necesită interacțiunea nu a două, ci trei particule (electron, foton și fonon), probabilitatea lor este mai mică decât probabilitatea tranzițiilor directe. În consecință, indicele de absorbție este de asemenea mai mic.
Absorbția excitonului. În unele semiconductori este posibil să se formeze un exciton - un sistem de electroni și găuri interconectate de câmpurile electrostatice. Un excitonului este electric neutru, poate umbla la întâmplare pe tot cristalul și coliziunea cu toate centrele de impuritate poate forma două sarcină (electroni și gaura) sau a recombina și a rezultat într-o stare atom neutru. Prima necesită un exciton pentru a comunica energia termică necesară pentru a transfera electronul de la nivelul excitonului la banda de conducere; al doilea este însoțit fie de emisia unui cuantum de energie, fie mai des prin revenirea energiei excitonului la rețeaua de semiconductor sub formă de căldură. Nivelurile energetice ale unui electron excitat de un foton h # 965; iar compoziția este în excitonul, situat în banda interzisă puțin sub partea inferioară a benzii de conducție (vezi Figura 3.9 - .. b) în cazul în care ne - nivelurile excitonilor). Prin urmare, energia de formare a excitonilor ceva mai mică decât lățimea benzii interzise, deoarece acesta din urmă reprezintă energia minimă necesară pentru a forma o pereche de purtători liberi (și separate). Aceeași circumstanță conduce la faptul că absorbția excitonului este redusă la partea cu frecvență joasă a spectrului în comparație cu absorbția intrinsecă.
Absorbția impurităților are loc atunci când atomii de impuritate ai rețelei cristaline sunt ionizați. Energia fotonului lumină absorbită sau o aruncare de electroni cheltuite de la nivelele donator în banda de conducție (figura 9 3 -. C), sau din banda de valență la nivelele acceptoare (figura 3 9 -. R). Deoarece energia de ionizare a impurităților este semnificativ mai mică decât lățimea benzii interzise, absorbția impurităților este deplasată de la marginea de absorbție fundamentală în regiunea de departe infraroșu și pot fi observate la temperaturi joase (sub temperatura de epuizare a impurității), când majoritatea atomilor de impuritate este ionizat.
După cum rezultă din analiza mecanismelor de absorbție intrinsecă, exciton și impuritate, lungimea de undă a luminii absorbite este determinată de lărgimea distanței energetice depășită de electronul sub acțiunea unui foton. În acest sens, în expresia (3.9), în loc de lățimea benzii interzise, trebuie să folosim energia W ¼ W þ Wv pentru absorbtia excitonului; Wd = Wc - Wd când electronii sunt absorbiți de nivelurile donatorilor; Wa = Wα - Wv la excitarea atomilor acceptori.
Pentru toate tipurile de absorbție, lumina din semiconductor generează purtători de sarcină suplimentari (necompensați), ceea ce duce la o modificare a conductivității semiconductorului. Schimbarea conductivității electrice (rezistivității) sub influența radiației electromagnetice se numește fotoconductivitate (efect fotorezist). fotoconductie # 916; # 947; este egal cu diferența de conductivitate a semiconductorului în lumină și în întuneric :. unde # 916; n și - concentrațiile de purtători de încărcătură de neechilibru care apar ca urmare a generării optice. Principalele proprietăți ale fotoconductivității semiconductoare:
- fotoconductivitatea este de natură temporară - după iradiere se întoarce mai mult sau mai puțin rapid la cea întunecată;
- atunci când pulsul de lumină este aplicat, fotoconductivitatea crește la starea de echilibru printr-o lege exponențială;
- în cazul fluxurilor slabe de lumină, dependența fotoconductivității de intensitatea luminii este liniară;
- dependența spectrală a fotoconductivității corespunde spectrelor de absorbție optică ale semiconductorului.
Emisia de lumină de către semiconductori este însoțită de eliberarea energiei radiației electromagnetice în domeniul optic, care poate apărea în procesul de recombinare a purtătorilor de neechilibru. Deoarece recombinarea poate de asemenea să elibereze energia termică, atunci când se creează dispozitive de emisie a luminii, este necesar să se creeze condiții care să asigure o recombinare radiativă. Există mai multe mecanisme de recombinare, ale căror principiu de funcționare este explicat în Fig. 3.10.
Interband. sau recombinare directă are loc la trecerea electronilor liberi din banda de conducție pe unul dintre nivelele libere ale benzii de valență, care corespunde cu dispariția perechii de purtători - a unui electron liber și o gaură (Figura 3.10 -. a). În acest caz, se emite un foton de lumină. Cu toate acestea, recombinarea directă este puțin probabilă, deoarece pentru implementarea sa,
Figura 3. 10. Diagrame zonale ale unui semiconductor cu emisie de lumină: a) - recombinare directă; b), c) - recombinări de impurități; d) anihilarea excitonului.
Există o coincidență în spațiul poziției găurii și a electronului cu impulsuri identice și orientate opus. Aceasta conduce la faptul că, de exemplu, în Germania, pentru 10 mii de recombinări, numai una survine ca urmare a dispariției directe a perechii de electroni.
Procesele analoge apar și la dispariția excitonului (Figura 3. 10-d), dar cel mai adesea acest lucru este însoțit de emisia unui fonon, care se consumă la încălzirea rețelei cristaline.
Emisia de lumină poate avea loc cu procesele de recombinare și la nivelul de impurități (impuritate recombinare) la trecerea unui electron din banda de conducție la nivelul acceptor (Figura 3.10 -. b) sau un nivel de donator la banda de conducție (Fig 3.10. - in). Strict vorbind, Fig. 3.10 explică doar o parte a procesului de radiație recombinată utilizând nivelurile de impurități. Nivelurile de impurități reprezintă un caz special al așa-
Recombinarea recombinare capcane vai capcane și defecte numite impuritatea (atomii de impuritate sau ioni, diferite incluziuni, noduri neumplute in retea si altele.), Creând nivelul lor în interzis
Figura 3.11. Mecanismul de recombinare care implică capcane: a), b) - nivele donatoare și acceptoare ca capcane; scheme pentru localizarea capcanelor capcane LZ și capcane de recombinare RL pentru p-semiconductor (-a) și n-semiconductor (-b).
zona semiconductorului. Recombinarea prin capcane are loc în două etape - 1 - captura un electron din banda de conducție la nivelul liber capcana (Figura 3.11 -. A) și a doua etapă - 2 - trecerea unui electron la nivelul liber în banda de valență. La nivelul capcanei, electronul va rămâne până când se va apropia gaura, adică Etapele 1 și 2 pot separa intervale de timp diferite. Apoi, se va produce găuri de aderență din banda de valență primul pas (adică trecerea electronilor la o stare liberă în banda de valență) și a doua capcană accepta un electron din banda de conducție - Dacă în starea inițială ocupată de un nivel de capcană de electroni (Figura 3.11 b) . Ca urmare a tranzițiilor succesive 1 și 2 se întâmplă cuplurile de dispariție taxa transportatorilor în cazul a) și b) caz. Acest proces în două etape este mai probabil decât recombinarea directă cu nivelul de impurități (Figura 3.10 -. A) și - b)), deoarece nu necesită prezența simultană într-un punct al spațiului de electroni și gaura.
Pe lângă capcanele de recombinare din banda interzisă a unui semiconductor, pot exista nivele care captează purtătoarele unui singur semn - așa-numitele capcane de captare. Suportul de sarcină, care este la acest nivel, este eliberat după un timp și poate participa din nou la procesul de conductivitate electrică. O caracteristică caracteristică a capcanelor de captare este interacțiunea lor cu o singură zonă - conductivitatea sau banda de valență. Purtătorii de încărcături fără echilibru, care se deplasează la niveluri superficiale ale capcanelor de captură, dispar de ceva timp din procesul de recombinare. Prin urmare, prezența capcanelor de captare reduce viteza de recombinare, deoarece numărul de tranziții ale purtătorilor de sarcină la nivelurile de capcane de recombinare scade.
Energia eliberată în timpul recombinarea care fie este emisă ca un foton (recombinare radiativă) sau transmisă sub forma unui cristal cu zăbrele fononi (neradiativ recombinare - fonon). Pentru construcția emitatoare de lumina dispozitive semiconductoare sunt utilizate și recombinare interband (semiconductor cu o zonă interzisă îngustă) și recombinarea prin nivelul de impurități (wide-gap semiconductori), cu realizarea desăvârșirii mare a structurii cristaline, reducerea impurităților reziduale se asigură o mare o parte recombinărilor radiative - mai mult de 80% din total numărul de recombinări.
În toate cazurile de recombinare radiativă, lungimea de undă a luminii emise este determinată, ca și în absorbția luminii, de lărgimea distanței energetice dintre nivelele inițiale și finale ocupate de purtători (vezi expresia 3.9).