Металлы со средним значением температуры плавления. Физические свойства полупроводников, страница 4

Рекомбинационными ловушками могут быть любые несовершенства кристаллической структуры (точечные размерные дефекты), на которых возможна рекомбинация свободных носителей заряда. Если уровень может захватывать носители только одного типа, он называется ловушкой захвата. С течением времени возможно освобождение носителя из такой ловушки и переход в зону проводимости. Ловушками захвата являются мелкие примесные уровни, взаимодействующие только с одной из зон. С увеличением температуры часть рекомбинационных ловушек может превращаться в ловушки захвата.

В процессе рекомбинации возможно излучение электромагнитной энергии в виде светового кванта или передача энергии решетке в виде фононов (безизлучательная рекомбинация).

Излучательная рекомбинация имеет наибольшее значение в полупроводнике с узкой запрещенной зоной. Для полупроводника с широкой запрещенной зоной повысить эффективность излучательной рекомбинации можно путем увеличения чистоты кристалла, создания более совершенной структуры. Например, в арсениде галлия GaAs доля излучательных переходов может достигать 80 % от общего числа актов рекомбинации.

Время жизни неравновесных носителей равно отношению избыточной концентрации к скорости ее изменения вследствие рекомбинации:

.

 - скорость рекомбинации.

После отключения источника возбуждения избыточная концентрация изменяется по закону:

, где Dn₀(0) – избыточная концентрация в момент t = 0 отключения внешнего воздействия.

Время жизни t определяется количеством и типом структурных ловушек и является чувствительной характеристикой чистоты и структурного совершенства. Как правило, в полупроводнике t_n = 10^-2¸10^-10 c. Если генерация осуществляется в некоторой выделенной области, из этой области с повышенной концентрацией носителей распространяется диффузионный ток, обусловленный градиентом концентрации. В процессе диффузии неравновесные носители рекомбинируют и избыток концентрации уменьшается с расстоянием.

Диффузионная длина – расстояние, на котором в однородном полупроводнике при одномерной диффузии в отсутствие внешнего электрического и магнитного поля избыточная концентрация носителей заряда уменьшается в е раз. Это среднее расстояние, на которое носитель диффундирует за время жизни.

Для диффузионной длины электронов и дырок:

,

, где D_n и D_p – коэффициенты диффузии для электронов и дырок соответственно. Для германия t = 10¸500 мкс, L = 0,2¸3 мм.

Оптические явления в полупроводниках

Количество световой энергии dI, поглощенное слоем dx, пропорционально интенсивности света I и может быть выражено как

dI = -αIdx,

где α – коэффициент поглощения.

I(x) = I₁·e^-αx,

I₁ = I₀(1-R),

где I₀ – интенсивность падающего светового потока, R – коэффициент отражения. Для слабопоглощающих сред:

, n = 3¸4, R = 25¸36.

Существует несколько механизмов поглощения:

- собственное;

- экситонное;

- свободными носителями решетки;

- примесное.

Зависимость показателя поглощения от длины волны падающего излучения:

1 – собственное поглощение; 2 – экситонное поглощение; 3 – поглощение света носителями заряда; 4 – примесное поглощение

Взаимодействие с решеткой проявляется в ИК-области спектра и накладывается на примесное поглощение. Спектр примесного и экситонного поглощения может иметь линейчатую структуру, обусловленную дискретными квантовыми уравями примеси (экситона). Примесное поглощение наблюдается только при низких температурах, пока все атомы примеси не ионизованы. Только собственная и примесная ионизация сопровождается генерацией добавочных носителей, изменяя электрические свойства полупроводников при освещении. Эти механизмы называются фотоактивными. Область между собственным и примесным поглощением оптически прозрачна. Это позволяет использовать полупроводник в качестве оптических окон и светофильтров.

Фотопроводимость

Фотопроводимость - изменение проводимости под действием электромагнитного излучения.

Dσ = σ_свет – σ_{без облучения} = еDnμ_n + eDpμ_p

Процесс характеризуется скоростью оптической генерации избыточных носителей:

g₀ = η₀αI,

где η₀ – квантовый выход внутреннего фотоэффекта, т.е. количество пар носителей на один поглощенный квант. Как правило η₀ = 1.