载流子的生成是电子-空穴对(EHP)在半导体中生成的过程。在砷化镓(GaAs)等直接带隙半导体中,当能量吸收能够促使价电子跃迁到导带并留下空穴时,这种情况就会发生。
由于价带最大值和导带最小值之间存在动量守恒,因此这一过可以用生成速率 G 来进行表示,并且这是高效的。
间接生成通常会涉及到一个中间步骤,在硅(Si)等间接带隙半导体中是很常见的。间接带隙半导体需要声子来提供额外的动量,并且还会使得载流子生成的效率降低。在强电场等高能环境中,俄歇电子的生成和碰撞电离会生成多个电子-空穴对。
重组是减少自由电荷中载流子数量的过程。直接的带间重组通常会发生在砷化镓等半导体中,其中电子和空穴会在没有中间态的情况下进行直接重组。
电子是多数载流子中的 n 型半导体,重组率可以由以下公式计算得出:
其中 B 为重组系数,n 和 p 分别为电子和空穴的浓度。间接重组通常还会存在陷阱:带隙内的局部能态。载流子会被这些状态暂时捕获,然后再进行重新结合,并以热量的形式来释放能量,这是一个非辐射过程。
生成和重组之间的平衡关系可以由以下公式来进行表示:
在非平衡条件下,过量载流子会导致净重组率 U 趋向于恢复平衡的状态。在低水平注入时,少数载流子浓度(Δp)会明显低于多数载流子浓度,此时的重组速率为:
在热平衡状态下,载流子的生成和重组速率是平衡的。然而,当光或电场等外力来干扰这种平衡时,半导体就会进入到非平衡状态。恢复平衡的动力学过程通常会涉及到这些生成和重组机制之间的复杂相互作用。
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