Что влияет на время жизни носителей заряда

Время жизни носителей заряда

Процесс рекомбинации в примесных полупроводниках играет большую роль во многих полупроводниковых приборах.

Предположим, что в некотором слое кристалла полупроводника n-типа с помощью какого-либо внешнего воздействия, например, облучения световым потоком, созданы концентрации дырок р₀ = р_n + ∆p(0) и электронов
п₀ = п_n + ∆n(0), превышающие равновесные концентрации, определяемые выражением (1.2) для данной температуры. Абсолютные приращения концентрации носителей заряда обоих знаков ∆p(0) = ∆n(0) (слой остается электрически нейтральным), так как в данном примере повышение концентрации носителей заряда обусловливается увеличением числа переходов электронов из валентной зоны в зону проводимости. Однако, относительное приращение концентраций электронов p₀ /p_n » n₀ /n_n, поскольку n_n » p_n. Иными словами, можно считать, что внешнее воздействие привело к образованию в слое полупроводника n-типа неравновесной концентрации неосновных носителей заряда (дырок) при оставшейся почти неизменной концентрации основных носителей заряда (электронов). Процесс уменьшения концентрации носителей заряда в слое до значения равновесных после прекращения внешнего воздействия следует рассматривать как рекомбинацию дырок с электронами в условиях высокой концентрации электронов. Спад начальной концентрации дырок ∆p(0) во времени подчиняется экспоненциальному закону.

(1.3)

Соотношение, аналогичное (1.3), можно записать и для дырочного полупроводника. Процесс уменьшения концентрации носителей заряда здесь следует рассматривать как рекомбинацию неравновесных электронов с дырками в условиях высокой концентрации дырок. Характеристическую постоянную τ_n в этом случае называют временем жизни электронов в дырочном полупроводнике.

Рекомбинация носителей заряда, когда свободный электрон непосредственно переходит из зоны проводимости в валентную зону, т. е. заполняет дырку в ковалентной связи атомов (прямая рекомбинация), маловероятна. Причиной этого является редкость события, при котором электрон и дырка находились бы одновременно в одном и том же месте кристалла и имели бы небольшую скорость. Основную роль в рекомбинации носителей заряда играют так называемые центры рекомбинации — ловушки, имеющие в запрещенной зоне энергетические уровни, способные захватить электроны. Процесс рекомбинации с участием ловушки протекает в две стадии: свободный электрон вначале переходит на уровень ловушки, а затем в валентную зону.

Источник

Время жизни неосновных носителей заряда

Неравновесное состояние существует до тех пор пока не прекращается внешнее воздействие на полупроводник. После прекращения внешнего воздействия полупроводник возвращается в равновесное состояние. Длительность этого переходного процесса определяется временем жизни неравновесных носителей заряда. Поскольку концентрация основных носителей заряда при внешнем воздействии изменяется незначительно, то можно ограничиться только рассмотрением времени жизни неосновных носителей заряда. Для дырочного полупроводника после прекращения инжекции в него электронов изменение неравновесной концентрации электронов обусловлено разностью скоростей рекомбинации и генерации, то есть :

— скорость рекомбинации электронов, определяемая полной концентрацией:

— скорость генерации электронов, определяемая равновесной концентрацией n_p.

. (1.22)

Разделяя переменные и интегрируя в пределах от t₀ до t и отD n(t₀) до D n(t), получаем:

, (1.23)

то есть избыточная концентрация с течением времени уменьшается по экспоненциальному закону (рис. 1.10). Время, в течение которого избыточная концентрация уменьшается вeраз(e»2,7) называется временем жизни неравновесных носителей. В электронном полупроводнике аналогичным образом изменяется избыточная концентрация дырок.

, (1.24)

соответственно рекомбинация дырок происходит через занятые ловушки, следовательно:

. (1.25)

Уравнения (1.24) и (1.25 ) позволяют сделать вывод о причинах, влияющих на время жизни неравновесных носителей заряда.

Во-первых, время жизни зависит от концентрации ловушек M. Чем больше дефектов в кристаллической структуре полупроводника, тем меньше время жизни.

Во-вторых, время жизни зависит от концентрации примесей. Чем больше содержится примесей, тем дальше от середины запрещенной зоны расположен уровень Ферми. Поэтому в электронном полупроводнике возрастает P(E_i) и соответственно уменьшается t _p, а дырочном полупроводнике возрастает [1- P(E_i)] и соответственно уменьшается t _n.

В-третьих, время жизни зависит от температуры. С повышением температуры уровни Ферми в электронном и дырочном полупроводниках сдвигаются к середине запрещенной зоны. Кроме того, графики P(E) приобретают более плавный изгиб. Поэтому уменьшается P(E_i) в электронном полупроводнике и уменьшается [1-P(E_i)] в дырочном полупроводнике. В результате чего с ростом температуры возрастает время жизни неравновесных носителей заряда.

Дата добавления: 2015-08-11 ; просмотров: 5735 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Источник