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)

где τ_p - характеристическая постоянная, называемая временем жизни дырок в электронном полупроводнике (параметр τ_p соответствует времени, в течение которого избыточная концентрация неравновесных дырок уменьшается в е раз).

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.

Параметры τ_p, τ_n для примесных полупроводников входят в число основных. Их уменьшение, в частности, сказывается на повышении быстродействия полупроводниковых приборов. Обычные значения τ_p, τ_n находятся в пределах 10 ^-7…10 ^{- 5} секунд, но иногда могут быть больше или меньше.

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.

Центрами рекомбинаций могут быть примесные атомы, дефекты кристаллической решетки, расположенные в объеме или на поверхности кристалла. Для повышения интенсивности рекомбинационных процессов (уменьшения τ_p, τ_n) в примесный полупроводник вводят в небольшом количестве золото или никель, создающие эффективные центры рекомбинаций носителей заряда. Время жизни носителей при этом снижается до 10 ^-9…10 ^-8 секунд.