Безызлучательная рекомбинация

В полупроводниках процессы рекомбинации электронов и дырок могут протекать как с излучением фотонов (излучательная рекомбинация), так и без него — в форме передачи энергии колебательным степеням свободы кристаллической решётки или другим носителям заряда. Последний тип процессов называется безызлучательной рекомбинацией. Она играет критически важную роль в определении эффективности фото- и оптоэлектронных приборов, поскольку приводит к потерям энергии и снижает квантовый выход.

Ключевая особенность безызлучательных процессов заключается в том, что энергия перехода не покидает материал в виде электромагнитного излучения, а рассеивается внутри кристалла.

Рекомбинация через примесные и дефектные уровни

Наиболее распространённый механизм безызлучательной рекомбинации — процесс Шокли–Рида–Холла (ШРХ-рекомбинация). Он осуществляется через энергетические уровни, создаваемые примесями или дефектами в запрещённой зоне.

  1. Электрон из зоны проводимости может быть захвачен на локализованный уровень в запрещённой зоне.
  2. После этого дырка из валентной зоны захватывается на тот же уровень.
  3. В результате оба носителя исчезают, а энергия высвобождается в виде фононов.

Скорость рекомбинации через такие центры описывается выражением:

$$ U = \frac{np - n_i^2}{\tau_p (n+n_1) + \tau_n (p+p_1)}, $$

где

  • n, p — концентрации электронов и дырок,
  • ni — собственная концентрация носителей,
  • τn, τp — времена жизни носителей для захвата на данный центр,
  • n1, p1 — эффективные концентрации, зависящие от положения уровня дефекта.

Центры с энергией, расположенной ближе к середине запрещённой зоны, наиболее эффективно участвуют в ШРХ-рекомбинации, поскольку обладают высокой вероятностью захвата как электронов, так и дырок.

Аuger-рекомбинация

Другим важным механизмом безызлучательной рекомбинации является Аuger-рекомбинация. В этом случае энергия, высвобождающаяся при рекомбинации электрона и дырки, передаётся третьему носителю заряда — электрону или дырке, находящемуся вблизи зоны проводимости или валентной зоны.

  • При рекомбинации электрон–дырка энергия может быть передана другому электрону, который поднимается на более высокий энергетический уровень в зоне проводимости.
  • Аналогично, энергия может перейти дырке, которая смещается глубже в валентную зону.

Эффективность Auger-рекомбинации особенно велика при высоких концентрациях носителей (например, при сильном освещении, инжекции или в сильно легированных полупроводниках). Скорость процесса пропорциональна кубу концентрации носителей:

RAuger = Cnn2p + Cpnp2,

где Cn и Cp — коэффициенты Auger-процессов для электронов и дырок.

Этот механизм играет ключевую роль в ограничении максимальной плотности инжекции в светодиодах и лазерах.

Поверхностная рекомбинация

Безызлучательные процессы могут протекать и на поверхности полупроводника. Здесь из-за разрыва периодичности кристаллической решётки образуются локализованные состояния, способные эффективно захватывать носители заряда.

Скорость поверхностной рекомбинации характеризуется параметром скорости поверхностной рекомбинации S:

Rs = S ⋅ Δn,

где Δn — избыток концентрации носителей.

Поверхностная рекомбинация особенно значима в устройствах с большой удельной поверхностью (тонкие плёнки, наноструктуры), а также в солнечных элементах, где каждая потеря носителей снижает эффективность преобразования энергии. Для уменьшения этого эффекта применяют пассивацию поверхности — нанесение слоёв диэлектрика или создание химических связей, устраняющих поверхностные состояния.

Фононно-опосредованная рекомбинация

Даже в идеальном кристалле без дефектов возможна безызлучательная рекомбинация, обусловленная многократным участием фононов. В этом случае процесс сопровождается передачей энергии решётке через квантованные колебания. Вероятность подобных процессов сравнительно мала, но в материалах с сильным электрон-фононным взаимодействием она может приобретать существенное значение.

Влияние температуры и концентрации носителей

  • При низких температурах процессы ШРХ-рекомбинации доминируют, так как тепловая энергия недостаточна для эффективной Auger-рекомбинации.
  • При повышенных температурах увеличивается вероятность захвата носителей и усиливается фононная рекомбинация.
  • При высоких уровнях инжекции (например, в условиях работы мощных лазерных диодов) основным ограничивающим фактором становится Auger-рекомбинация.

Таким образом, соотношение различных механизмов безызлучательной рекомбинации сильно зависит от условий, в которых находится полупроводник.

Практическое значение

Безызлучательная рекомбинация определяет:

  • эффективность светодиодов и лазеров (уменьшение квантового выхода);
  • чувствительность и шумовые характеристики фотоприёмников;
  • скорость отклика транзисторов и других электронных приборов;
  • коэффициент заполнения солнечных элементов и их предельный КПД.

Снижение вероятности безызлучательных процессов — одна из ключевых задач в инженерии полупроводников. Для этого применяют:

  • высокочистые кристаллы с минимальным числом дефектов,
  • контроль легирования для уменьшения плотности центров рекомбинации,
  • пассивацию поверхности,
  • использование гетероструктур, в которых носители локализуются в областях с низкой вероятностью рекомбинации.
Оглавление