Концентрация носителей зарядов.

Так как число свободных носителей заряда в полупроводнике постоянно при данной температуре и числа электронов и дырок при собственной электропроводности равны между собой, то для любого полупроводника, находящегося в равновесном состоянии, можно записать: .

В полупроводниках с примесной электропроводностью концентрация электронов донорной примеси значительно превышает собственную концентрацию в довольно широком интервале температур. Поэтому можно считать, что концентрация электронов полностью определяется концентрацией донорной примеси . Тогда концентрация дырок, являющихся неосновными носителями заряда, в полупроводнике n-типа . Так как и «да да , то при увеличении температуры концентрации неосновных носителей заряда увеличивается по экспоненциальному закону. Аналогичное выражение имеет место и для полупроводника p-типа.

Из приведенных уравнений следует, что увеличение количества электронов при данной температуре всегда вызывает пропорциональное уменьшение количества дырок, и наоборот.

Так как при данной температуре количество электронов и дырок постоянно, то рекомбинация одной пары вызовет генерацию электрона и дырки в другом месте. Рекомбинация и генерация дырок и электронов в полупроводнике происходят непрерывно.

В зависимости от характера процессов различают несколько видов рекомбинаций: межзонная; через рекомбинационные центры; поверхностная.

При межзонной рекомбинации электроны из зоны проводимости непосредственно переходят в валентную зону (рис. 2.4, а, б). При этом выделяется энергия, равная ширине запрещенной зоны: . Эта энергия выделяется или в виде фотона (излучательная рекомбинация), или в виде фонона (безызлучательная рекомбинация). Характер излучения зависит от строения зон полупроводника. Если экстремумы зон совпадают (рис. 2.4, а) (в реальном полупроводнике ширина запрещенной зоны меняется в зависимости от геометрической координаты) и при переходе электрона значение его импульса остается постоянным, то энергия выделяется в виде фотона.

Рис. 2.4. Процесс рекомбинации носителей заряда: а — межзонная рекомбинация при совпадении экстремумов; б - межзонная рекомбинация при несовпадении экстремумов; в рекомбинация через ловушки

При несовпадении экстремумов (рис. ) обычно имеет место безызлучательная рекомбинация с выделением фонона.

В большинстве полупроводников, используемых в настоящее время, рекомбинация осуществляется через рекомбинационные центры, которые называют рекомбинационными ловушками или просто ловушками. Ловушки — это атомы примесей или дефекты кристаллической структуры, энергетические уровни которых находятся в запрещенной зоне, как правило, достаточно далеко как от валентной зоны, так и от зоны проводимости. Электрон из зоны проводимости может перейти на энергетический уровень ловушки (переход ), затем либо вернуться назад (переход 2), либо перейти в валентную зону (переход 3) (рис. 2.4, в). В последнем случае произойдет восстановление валентной связи. Рекомбинация носит своеобразный ступенчатый характер, и энергия АЕ выделяется двумя порциями. Аналогичным двухступенчатым путем может происходить и генерация зарядов.

Поверхностная рекомбинация обусловлена тем, что на поверхности кристалла в результате ее окисления, адсорбции атомов примесей, наличия дефектов кристаллической решетки, вызванных механической обработкой, появляются поверхностные состояния, энергетические уровни которых лежат в запрещенной зоне.