Рекомбинация через ловушки

Рекомбинация через ловушки представляет собой процесс, при котором электрон и дырка уничтожаются не напрямую, а через промежуточные энергетические состояния, возникающие в запрещённой зоне полупроводника. Эти состояния создаются дефектами кристаллической решётки, примесями или структурными нарушениями. В отличие от излучательной рекомбинации, данный механизм носит безызлучательный характер и играет ключевую роль в определении времени жизни неосновных носителей, особенно в реальных полупроводниках с большим количеством дефектов.

Энергетические уровни ловушек

Ловушки представляют собой дискретные уровни энергии внутри запрещённой зоны. Их можно разделить на:

  • донорные уровни – находятся ближе к зоне проводимости и способны захватывать электроны;
  • акцепторные уровни – расположены ближе к валентной зоне и способны захватывать дырки;
  • глубокие уровни – располагаются ближе к середине запрещённой зоны и являются наиболее эффективными центрами рекомбинации.

Особенно сильное влияние на скорость рекомбинации оказывают уровни, находящиеся вблизи середины запрещённой зоны, так как вероятность захвата как электронов, так и дырок у них примерно одинакова.

Последовательность рекомбинации через ловушки

Рассмотрим общий процесс:

  1. Захват электрона – свободный электрон из зоны проводимости может попасть на энергетический уровень ловушки.
  2. Захват дырки – после этого на тот же уровень может захватиться дырка из валентной зоны.
  3. Уничтожение носителей – в результате электрон и дырка рекомбинируют, а центр возвращается в исходное состояние.

Симметрично возможен и обратный процесс: сначала захватывается дырка, затем электрон.

Скорость рекомбинации через ловушки

Формализм Шокли–Рида–Холла (SRH) описывает скорость рекомбинации через центры:

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

где

  • n и p – концентрации электронов и дырок,
  • ni – собственная концентрация носителей,
  • τn и τp – эффективные времена жизни носителей, зависящие от сечения захвата и концентрации ловушек,
  • n1, p1 – эффективные концентрации, связанные с положением энергетического уровня ловушки относительно краёв зон.

Эта формула отражает, что скорость рекомбинации зависит как от свойств ловушек, так и от уровня инжекции носителей.

Влияние положения уровня ловушки

  • Уровни около середины запрещённой зоны являются наиболее эффективными: вероятность последовательного захвата электрона и дырки максимальна.
  • Уровни, близкие к зонам, менее эффективны, так как один тип носителей захватывается слабо, а другой – слишком быстро возвращается обратно.

Таким образом, дефекты, создающие глубокие уровни, играют решающую роль в деградации параметров полупроводниковых приборов.

Роль сечений захвата

Эффективность ловушек определяется не только их энергетическим положением, но и сечением захвата:

  • большое сечение захвата → высокая вероятность захвата носителя;
  • малое сечение захвата → низкая вероятность.

Сечения захвата зависят от природы дефектов (например, вакансии, примеси переходных металлов, дислокации).

Время жизни неосновных носителей

Через механизм SRH определяется характерное время жизни неосновных носителей:

$$ \tau = \frac{1}{\sigma v_{th} N_t} $$

где

  • σ – сечение захвата носителя,
  • vth – тепловая скорость носителей,
  • Nt – концентрация центров ловушек.

Из формулы следует, что при увеличении концентрации дефектов время жизни резко сокращается, что приводит к снижению эффективности полупроводниковых приборов.

Влияние на свойства полупроводниковых приборов

  1. Фотодиоды и солнечные элементы – центры рекомбинации снижают коэффициент квантовой эффективности и уменьшают напряжение холостого хода.
  2. Светоизлучающие диоды (LED) – повышенные потери на SRH-рекомбинацию уменьшают внутреннюю квантовую эффективность.
  3. Биполярные транзисторы – уменьшение времени жизни неосновных носителей приводит к увеличению токов утечки и снижению коэффициента усиления.
  4. Полевые транзисторы – генерационно-рекомбинационные токи через ловушки на границе раздела «полупроводник – диэлектрик» определяют уровень шумов и токов утечки.

Особенности температурной зависимости

  • При низких температурах вероятность захвата носителей снижается, так как уменьшается тепловая энергия и тепловая скорость носителей.
  • При высоких температурах возрастает вероятность ионизации уровней ловушек, что приводит к росту рекомбинационных токов.
  • Оптимальная эффективность рекомбинации через ловушки наблюдается при средних температурах, когда оба процесса – захват и эмиссия – сбалансированы.
Оглавление