25

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №4

по курсу «ФТТ и ПП»

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВРЕМЕНИ ЖИЗНИ НЕРАВНОВЕСНЫХ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА В ПОЛУПРОВОДНИКАХ

Лабораторная работа № 4

Определение времени жизни неравновесных носителей заряда в полупроводниках

1. Цель работы

Целью работы является:

• изучение процессов генерации и рекомбинации неравновесных носителей заряда в полупроводниках;

• ознакомление с методом спада фотопроводимости;

• освоение методики, основанной на методе спада фотопроводимости

• проведение измерения времени жизни в полупроводнике методом спада фотопроводимости;

Измерения проводятся при комнатной температуре на одном (или более) образце.

2. Общие сведения.

Генерация, рекомбинация и захват носителей заряда.

Процесс образования свободных электронов и дырок раздельно или одновременно называется генерацией. При термодинамическом равновесии свободные электроны и дырки в полупроводнике возникают вследствие тепловой генерации трех видов (рис.1):

1. переход электронов с донорного уровня Е_D в зону проводимости Е_C с образованием свободных электронов;

2. переход электронов из валентной зоны Е_V на акцепторный уровень Е_A с образованием свободных дырок;

3. переход электронов из валентной зоны Е_V в зону проводимости Е_C с образованием пар свободных электронов и дырок.

Рис.1. Генерация, рекомбинация и захват носителей заряда в полупроводниках:

а₁ - генерация электронов; б₁ - генерация дырок; в₁ - генерация электронно-дырочных пар; а₂ - захват электронов, б₂ - захват дырок; г₁ - генерация электронно-дырочных пар с ловушечных центров; г₂ - рекомбинация электронно-дырочных пар.

Согласно принципу детального равновесия каждому из трех рассмотренных процессов генераций соответствует обратный процесс - переход свободных носителей в связанное состояние. Рекомбинация – это переход электрона из зоны проводимости в валентную зону, в результате чего исчезает пара свободных носителей. Захват – это переход свободного носителя из зоны проводимости или валентной зоны на локальный энергетический уровень в запрещенной зоне. В условиях термодинамического равновесия процессы генерации, рекомбинации и захвата взаимно уравновешиваются. Это означает, что скорости тепловой генерации электронов g_n0 и дырок g_p0 равны соответствующим скоростям рекомбинации (или захвата) электронов r_n0 и дырок r_p0.

, .

(1)

При этом в полупроводнике устанавливается определенное распределение электронов между валентной зоной, зоной проводимости и локальными энергетическими уровнями в запрещенной зоне.

Концентрации свободных электронов n₀ и дырок р₀ в условиях термодинамического равновесия определяется равновесной функцией распределения Ферми-Дирака или Максвелла-Больцмана f₀(Е,Т).

Равновесное состояние полупроводника может быть нарушено внешним воздействием - электрическим полем, облучением, инжекцией и другим, которое вызывает дополнительную генерацию электронов и дырок со скоростями генерации G_n и G_p. При этом возникают так называемые неравновесные концентрации электронов n и дырок р. Поведение неравновесных электронов и дырок определяется неравновесной функцией распределения , которую находят из решения кинетического уравнения Больцмана. Функцияопределяет вероятность нахождения электрона (дырки) в элементарном объеме фазового пространства, содержащего точкув момент времени t.

Разности n=n-n₀ и p=p-p₀ называются избыточными концентрациями соответственно электронов и дырок.

Отношение избыточной концентрации неосновных носителей к равновесной концентрации основных носителей называется уровнем инжекции z: z=n/p₀ - для полупроводника р-типа проводимости; z=p/n - для полупроводника n-типа проводимости. Уровень инжекции называется низким, если z<<1, средним - если z≈1 и высоким – если z>>1.