3.2. Особливості і механізм поверхневої рекомбінації

Поверхневі центри захоплення нерівноважних носіїв заряду впливають на об’ємні властивості напівпровідників, зокрема, на фотоелектричні властивості. Основним параметром, який визначає фотоелектричні властивості напівпровідників, є час життя нерівноважних носіїв заряду _n,p. Значення величини _n,p істотно залежить від взаємодії нерівноважних електронів і дірок з поверхневими локальними центрами. Ця взаємодія може бути або поверхневою рекомбінацією, або поверхневим прилипанням. Значення _n,p у тонких кристалах можуть сильно відрізнятися від відповідних значень в об’ємі зразків за межею ОПЗ. Це один з розмірних ефектів. Характеристичним розміром є довжина дифузійного зміщення L_n,p. При розгляді нерівноважних явищ “тонким” вважають кристал, товщина d якого близька до L _n,p.

Процеси захоплення нерівноважних носіїв поверхневими центрами характеризуються рядом специфічних особливостей у порівнянні з аналогічними процесами в об’ємі кристала. Локалізація деякого за­ряду на поверхневих рівнях призводить до зміни потенціалу поверх­ні. При цьому можливе як збільшення, так і зменшення величини Y_s. Навіть при відсутності захоплення нерівноважних носіїв поверхневими рівнями, сама наявність нерівноважних носіїв у напівпровіднику призводить до зміни поверхневого електростатичного потенціалу. То­му розкладання повних поверхневих концентрацій носіїв заряду (n_s, p_s) на рівноважну (n_s0, p_s0) і нерівноважну (n_s, p_s) частини є досить складним.

Формально можна було б записати

; . (3.6)

Але величини n_s0 і p_s0 не дорівнюють поверхневим концентра­ціям електронів і дірок при відсутності в кристалі нерівноважних носіїв, оскільки їх наявність призводить до зміни поверхневого електростатичного потенціалу _s і, отже, до зміни концент­рації носіїв на поверхневих рівнях і в ОПЗ. Наявність нерівноважних носіїв в ОПЗ змінює об’ємний заряд у цьому шарі, а захоплення їх поверхневими рівнями призводить до зміни поверхневого заряду.

Рівноважні концентрації носіїв на поверхні можна ввести як функції Y_s (або Y_s0). Із співвідношень (2.3), (2.10), (2.11), (2.12) і (2.13) випливає, що у рівноважному випадку, коли _n = _p = ₀, рівноважні концентрації електронів і дірок на поверхні можна записати у вигляді

n_s0 = n₀exp[(_s  ₀)], (3.7)

p_s0 = p₀exp[– (_s  ₀)]. (3.8)

Справді, згідно з (2.12) концентрацію електронів на поверхні можна записати у вигляді

.

Визначимо величину n_i із (2.10):

.

Тоді

,

або, враховуючи, що _n = ₀, одержуємо

. (3.9)

Аналогічно одержується вираз (3.8), який запишемо у вигляді

. (3.10)

При цьому обов’язково повинна виконуватися умова

n_s0 p_s0 = n_і². (3.11)

За певних умов (див. п. 3.4) розподіл концентрацій нерівноважних носіїв заряду в ОПЗ описується подібними співвідношеннями

, .

Підставимо значення n_s0, p_s0, n_s, p_s у (3.6), отримаємо

, (3.9)

. (3.10)

Поверхнева рекомбінація нерівноважних носіїв заряду, як і в об’ємі кристала, може відбуватися через локальні центри або шляхом безпосереднього рекомбінування електрона зони провідності з діркою валентної зони. Але вплив міжзонної поверхневої рекомбінації на поверхневі явища не доведено. Основним механізмом поверхневої рекомбінації вважається рекомбінація через локальні центри.

Розглянемо на­півпровідник n-типу, в області поверхні якого існує шар збіднення (рис. 3.2).

Рис. 3.2. Енергетична діаграма приповерхневої області для пояснення механізму поверхневої рекомбінації. Суцільними стрілками позначено переходи електронів, штриховими – дірок

Припустимо, що на поверхні напівпровідника є один тип простих локальних центрів, які можуть захоплювати носії заряду обох знаків. Концентрацію даних центрів позначимо через N_s, а положення енергетичного рівня – через Е_s. Під дією градієнта концентрації та електричного поля нерівноважні носії заряду переміщаються з об’єму кристала до поверхні і захоплюються центрами рекомбінації (рис. 3.2, переходи 1, 2). Послідовність захоплення носіїв різних знаків залежить від початкового заряду центра рекомбінації. Якщо у початковому стані поверхневі центри заряджені позитивно, то спочатку захоплюються електрони (перехід 1), а потім дірки (перехід 2). У випадку, коли на поверхні наявні негативно заряджені центри рекомбінації, спочатку захоплюються дірки, а потім електрони. У будь-якому випадку нерівноважні електрони у процесі рекомбінації переходять через поверхневі локальні рівні із с-зони у v-зону.

Зауважимо, що за певних умов швидкість рекомбінації через поверхневі локальні центри визначається не параметрами центрів, як в об’ємі при рівномірному збудженні, а швидкістю дифузійного або дрейфового руху пар носіїв з об’єму на поверхню.