Кіріспе
Жартылай өткізгіштердің қатты күй физикасындағы құбылыс
Жартылай өткізгіштердің қатты күй физикасында тасымалдаушыларды генерациялау және тасымалдаушыларды рекомбинациялау – жылжымалы заряд тасымалдаушыларды (электрондар мен электрондық тесіктерді) құру және жою процестері. Тасымалдаушыларды генерациялау және рекомбинациялау процестері көптеген оптоэлектрондық жартылай өткізгіш құрылғылардың, мысалы, фотодиодтардың, жарықдиодтардың және лазерлік диодтардың жұмыс істеуі үшін негізгі болып табылады. Олар биполярлық қосылыс транзисторлары және p-n қосылыс диодтары сияқты p-n қосылыс құрылғыларын толық талдау үшін де маңызды. Электрон-тесік жұбы – бейорганикалық жартылай өткізгіштерде генерациялау мен рекомбинацияның негізгі бірлігі, бұл валенттік жолақ пен өткізгіштік жолақ арасындағы электронның өтуіне сәйкес келеді, мұнда электронды генерациялау валенттік жолақтан өткізгіштік жолаққа өту, ал рекомбинация кері өтуге әкеледі.
Шолу
Басқа қатты денелер сияқты, жартылай өткізгіш материалдардың да материалдың кристалдық қасиеттерімен анықталатын электрондық жолақты құрылымы болады. Электрондар арасындағы энергия таралуы Ферми деңгейі және электрондардың температурасымен сипатталады. Абсолюттік нөлдік температурада барлық электрондардың энергиясы Ферми деңгейінен төмен болады; бірақ нөлдік емес температурада энергия деңгейлері Ферми-Дирак таралымы бойынша толтырылады. Допталмаған жартылай өткізгіштерде Ферми деңгейі валенттік жолақ және өткізгіш жолақ деп аталатын екі рұқсат етілген жолақтың арасындағы тыйым салынған жолақтың ортасында орналасқан. Тыйым салынған жолақтың астындағы валенттік жолақ әдетте толыққандай болып қалады. Ферми деңгейінен жоғарыдағы өткізгіш жолақ әдетте дерлік бос болады. Валенттік жолақ толығымен толғандықтан, оның электрондары жылдам қозғалмайды және электр тогы ретінде аға алмайды. Дегенмен, егер валенттік жолақтағы электрон басқа электрондармен, бос орындармен, фотондармен немесе тербелісті кристалл тордың өзімен өзара әрекеттесу нәтижесінде өткізгіш жолаққа жету үшін жеткілікті энергия алса, ол дерлік бос өткізгіш жолақтың энергиялық деңгейлері арасында еркін ағып кете алады. Бұдан әрі, ол физикалық зарядталған бөлшек сияқты ағып кете алатын бос орынды қалдырады. Тасымалдаушыларды генерациялау – электрондар энергия алатын және валенттік жолақтан өткізгіш жолаққа өтетін, екі жылдам тасымалдаушыны құратын процестерді сипаттайды; ал рекомбинация – өткізгіш жолақтағы электрон энергиясын жоғалтатын және валенттік жолақтағы электрон бос орнының энергиялық деңгейін қайта иеленетін процестерді сипаттайды. Бұл процестер квантталған энергияны және кристалл импульсін сақтауы керек, ал тербелісті тор импульсті сақтауда маңызды рөл атқарады, себебі соқтығысуларда фотондар өз энергиясына қатысты өте аз импульсті ғана жеткізе алады.
Өрлеу мен рекомбинацияның арасындағы байланыс
Жартылай өткізгіштерде рекомбинация және генерация үнемі, оптикалық және термиялық түрде жүріп жатады. Термодинамика заңдылықтарына сәйкес, жылулық тепе-теңдіктегі материалдағы генерация және рекомбинация жылдамдықтары теңеседі, нәтижесінде таза заряд тасымалдаушылар тығыздығы тұрақты болып қалады. Әрбір энергиялық аймақтағы энергиялық күйлерді толықтыру ықтималдығы Ферми-Дирак статистикасымен сипатталады. Электрон және бос орын тығыздықтарының көбейтіндісі ( және ) тепе-теңдік жағдайында тұрақты шама болып табылады, бұл тең жылдамдықпен жүретін рекомбинация және генерация процестерімен қамтамасыз етіледі. Егер тасымалдаушылардың артығы болса (яғни, ), рекомбинация жылдамдығы генерация жылдамдығынан асып түседі, бұл жүйені тепе-теңдікке қарай итереді. Сол сияқты, тасымалдаушылардың жетіспеушілігі болғанда (яғни, ), генерация жылдамдығы рекомбинация жылдамдығынан жоғары болады, бұл жүйені қайтадан тепе-теңдікке әкеледі. Электрон бір энергиялық аймақтан екіншісіне өткеңде, жоғалған немесе алған энергиясы мен импульсі процеске қатысатын басқа бөлшектерге (мысалы, фотондар, электрон немесе тербелістік тор атомдары жүйесі) берілуі немесе олардан алынуы керек.
Тасымалдаушыны құру
Жарық материалмен әрекеттескенде, ол сіңірілуі (еркін тасымалдаушылар жұбы немесе экситон пайда болуы) немесе рекомбинация оқиғасын күшейтуі мүмкін. Пайда болған фотонның қасиеттері оқиғаны тудырған фотонға ұқсас болады. Сіңіру – фотодиодтар, күн батареялары және басқа жартылай өткізгіш фотодетекторлардың негізгі процесі, ал күшейтілген шығарылым – лазерлік диодтардың жұмыс принципі. Жарықпен қоздырудан басқа, жартылай өткізгіштердегі тасымалдаушылар сыртқы электр өрісі арқылы да пайда болуы мүмкін, мысалы, жарықдиодтар мен транзисторларда. Егер жеткілікті энергиясы бар жарық жартылай өткізгішке түссе, ол электрондарды энергиялық шекаптан өте алады. Бұл қосымша заряд тасымалдаушыларды тудырып, материалдың электр кедергісін уақытша төмендетеді. Жарық күшімен байланысты өткізгіштіктің артуын фотоөткізгіштік деп атайды. Жарықтың электр энергиясына айналуы фотодиодтарда кеңінен қолданылады.
Тұзақтың шығарылымы
Тұзақтық эмиссия – бұл көп қадамды процесс, онда заряд тасымалдағыш жолақтың ортасындағы ақаулықтармен байланысты толқындық күйге түседі. Тұзақ – заряд тасымалдағышты ұстап тұруға қабілетті ақау. Тұзақтық эмиссия процесі электрондарды позитивті зарядтармен (тесіктермен) біріктіріп, энергияны сақтау үшін фотондарды шығарады. Тұзақтық эмиссияның көп қадамды болуына байланысты, көбінесе фонон да шығарылады. Тұзақтық эмиссия көлемдік ақаулықтар немесе беттік ақаулықтар арқылы жүзеге асуы мүмкін.
Радиациялық емес рекомбинация
Радиациялық емес рекомбинация – фосфорлар мен жартылай өткізгіштерде заряд тасымалдаушылары фотон шығарудың орнына фонондарды бөліп шығаратын процесс. Оптоэлектроника және фосфорлардағы радиациялық емес рекомбинация – қажетсіз процесс, ол жарық генерациясының тиімділігін төмендетіп, жылу шығындарын арттырады. Радиациялық емес өмір сүру мерзімі – жартылай өткізгіштің өткізгіштік аймағындағы электронның тесікпен рекомбинацияға дейінгі орташа уақыты. Бұл оптоэлектроникада маңызды параметр, себебі фотон шығару үшін сәулелі рекомбинация қажет; егер радиациялық емес өмір сүру мерзімі сәулелі өмір сүру мерзімінен қысқа болса, заряд тасымалдаушысының радиациялық емес рекомбинацияға түсуі ықтимал. Бұл ішкі кванттық тиімділіктің төмендеуіне алып келеді.
Шокли Рид Холл (SRH)
Шокли-Рид-Холл рекомбинациясы (SRH), сондай-ақ тұзақ көмегімен жүзеге асатын рекомбинация деп те аталады, онда электрон бір энергия белдеуінен екіншісіне өтетін кезде допинг немесе кристалл торындағы ақаулықтардың нәтижесінде пайда болған жаңа энергия күйінен (локальдік күйден) өтеді; мұндай энергия күйлері тұзақтар деп аталады. Радиациялық емес рекомбинация негізінен осындай орындарда жүзеге асырылады. Энергия тор тербелісі түрінде алмасады, яғни фонон материалмен жылу энергиясын алмасады. Тұзақтар заряд тасымалдаушылардың импульсінің айырмашылығын сіңіре алатындықтан, SRH кремний және басқа да тікелей емес энергиялық белдеуі бар материалдардағы басым рекомбинация процесі болып табылады. Дегенмен, тұзақ көмегімен рекомбинация тікелей энергиялық белдеуі бар материалдарда да өте төмен заряд тасымалдаушы тығыздығы (өте төмен деңгейлі инъекция) жағдайында немесе перовскиттер сияқты жоғары тұзақ тығыздығы бар материалдарда басым болуы мүмкін. Бұл процесс Уильям Шокли, Уильям Торнтон Рид және Роберт Н. Холлдың құрметіне аталған, олар 1952 жылы осы процесті жариялаған.
Электрондық тұзақтар мен тесік тұзақтар
Барлық рекомбинациялық оқиғаларды электрон қозғалысы тұрғысынан сипаттауға болатындықтан, әртүрлі процестерді көтерілген электрон және олардың қалдырған электрондық бос орындары арқылы бейнелеу жиі кездеседі. Осы ретте, егер тұзақ деңгейлері өткізгіштік аймағына жақын болса, олар көтерілген электрондарды уақытша тоқтатуы мүмкін, яғни электрон тұзақтары болып табылады. Ал егер олардың энергиясы валенттік аймаққа жақын болса, олар бос орын тұзақтарына айналады.
Жайық тұзақтар мен терең тұзақтар
Жайық және терең тұзақтарды ажырату электрондық тұзақтардың өткізгіштік жолағына, ал тесік тұзақтардың валенттілік жолағына қаншалықты жақын екендігіне байланысты жасалады. Егер тұзақ пен жолақ арасындағы айырмашылық термиялық энергия kBT-дан кіші болса, онда ол жай тұзақ деп есептеледі. Керісінше, егер айырмашылық термиялық энергиядан артық болса, ол терең тұзақ деп аталады. Бұл айырмашылықтың маңызы бар, себебі жай тұзақтарды босату оңайырақ, сондықтан олар оптоэлектрондық құрылғылардың жұмысына осылайша аз зиян келтіреді.
Жер бетін қайта құрастыру
Жартылай өткізгіштің бетіндегі тұзақтардың көмегімен жүзеге асылатын рекомбинация беттік рекомбинация деп аталады. Бұл жартылай өткізгіштің кристалдық құрылымының күрт аяқталуынан туындаған бос байланыстардың нәтижесінде, жартылай өткізгіштің бетінде немесе интерфейсінде тұзақтар пайда болған кезде болады. Беттік рекомбинация беттік ақаулардың тығыздығына тәуелді беттік рекомбинация жылдамдығы арқылы сипатталады. Күн элементтері сияқты қолданыстарда, беттік рекомбинация беттегі еркін заряд тасымалдаушыларды жинау және шығару процесіне байланысты рекомбинацияның басым механизмі болуы мүмкін. Күн элементтерінің кейбір қолданыстарында, беттік рекомбинацияны азайту үшін кең жолақты мөлдір материалдың қабаты, сондай-ақ "терезе қабаты" қолданылады. Беттік рекомбинацияны азайту үшін пассивтеу әдістері де қолданылады.
Лангевин рекомбинациясы
Аз қозғалмалы жүйелердегі еркін тасымалдаушылар үшін рекомбинация жылдамдығы көбінесе Лангевин рекомбинация жылдамдығы арқылы сипатталады. Бұл модель жиі органикалық материалдар сияқты тәртіпсіз жүйелерде (соның салдарынан органикалық күн элементтері үшін де маңызды) және басқа да осындай жүйелерде қолданылады. Лангевин рекомбинациясының күші былай анықталады: