10.4 : أساسيات أشباه الموصلات

توليد الناقل هو العملية التي يتم من خلالها إنشاء أزواج ثقب الإلكترون (EHPs) داخل أشباه الموصلات. وفي أشباه الموصلات ذات فجوة الحزمة المباشرة، مثل زرنيخيد الغاليوم (GaAs)، يحدث هذا بكفاءة عندما يدفع امتصاص الطاقة إلكترونات التكافؤ إلى القفز إلى نطاق التوصيل، تاركة وراءها ثقوبًا.

يتم إعطاء هذه العملية من خلال معدل التوليد G وهي فعالة بسبب الحفاظ على الزخم بين الحد الأقصى لنطاق التكافؤ والحد الأدنى لنطاق التوصيل.

يتضمن التوليد غير المباشر خطوة وسيطة وهو نموذجي في أشباه الموصلات ذات فجوة النطاق غير المباشرة مثل السيليكون (Si). تتطلب أشباه الموصلات ذات فجوة الحزمة غير المباشرة زخمًا إضافيًا من الفونونات، مما يجعل توليد الموجات الحاملة أقل كفاءة. ينتج عن توليد الثقوب والتأين بالصدمة العديد من العناصر الكهروضوئية في البيئات عالية الطاقة، مثل المجالات الكهربائية القوية.

إعادة التركيب هي العملية التي تقلل من عدد الايونات الحرة. تحدث إعادة التركيب المباشر من نطاق إلى نطاق في أشباه الموصلات مثل زرنيخيد الغاليوم، حيث تتحد الإلكترونات والثقوب مباشرة دون حالات وسيطة.

معدل إعادة التركيب لأشباه الموصلات من النوع n، حيث تكون الإلكترونات هي الحاملات الغالبية، يُعطى بواسطة:

حيث B هو معامل إعادة التركيب، وn وp هما تركيزات الإلكترونات والثقوب، على التوالي. تتضمن إعادة التركيب غير المباشرة مصائد: حالات طاقة موضعية ضمن فجوة النطاق. يتم التقاط الموجات الحاملة مؤقتًا بواسطة هذه الحالات ثم يتم إعادة تجميعها، مما يؤدي إلى إطلاق الطاقة على شكل حرارة، وهي عملية غير إشعاعية.

يوصف التوازن بين التوليد وإعادة التركيب بواسطة:

في ظروف عدم التوازن، تتسبب الموجات الحاملة الزائدة في معدل إعادة التركيب الصافي U، والذي يميل نحو استعادة التوازن. عند الحقن منخفض المستوى، حيث يكون تركيز حامل الأقلية (Δp) أقل بكثير من تركيز حامل الأغلبية، يكون المعدل:

تتم موازنة معدلات توليد وإعادة التركيب الحاملة عند التوازن الحراري. ومع ذلك، عندما تخل قوى خارجية مثل الضوء أو المجالات الكهربائية بهذا التوازن، يدخل شبه الموصل في حالة عدم التوازن. تتضمن ديناميكيات العودة إلى التوازن تفاعلات معقدة بين آليات التوليد وإعادة التركيب هذه.