10.4 : Grundlagen der Halbleiter

Trägererzeugung ist der Prozess, durch den Elektronen-Loch-Paare (EHPs) innerhalb des Halbleiters erzeugt werden. In Halbleitern mit direkter Bandlücke, wie Galliumarsenid (GaAs), geschieht dies effizient, wenn Energieabsorption Valenzelektronen dazu veranlasst, in das Leitungsband zu springen und Löcher zurückzulassen.

Dieser Prozess wird durch die Erzeugungsrate G gegeben und ist aufgrund der Impulserhaltung zwischen dem Valenzbandmaximum und dem Leitungsbandminimum effizient.

Die indirekte Erzeugung beinhaltet einen Zwischenschritt und ist typisch für Halbleiter mit indirekter Bandlücke wie Silizium (Si). Halbleiter mit indirekter Bandlücke benötigen zusätzlichen Impuls von Phononen, wodurch die Trägererzeugung weniger effizient wird. Auger-Erzeugung und Stoßionisation erzeugen mehrere EHPs in energiereichen Umgebungen, wie starken elektrischen Feldern.

Rekombination ist der Prozess, der die Anzahl der freien Ladungsträger reduziert. Direkte Band-zu-Band-Rekombination tritt in Halbleitern wie Galliumarsenid auf, wo Elektronen und Löcher direkt ohne Zwischenzustände rekombinieren.

Die Rekombinationsrate für einen n-Typ-Halbleiter, bei dem Elektronen die Mehrheit der Ladungsträger sind, wird wie folgt angegeben:

Wobei B der Rekombinationskoeffizient und n und p die Konzentrationen von Elektronen bzw. Löchern sind. Indirekte Rekombination beinhaltet Fallen: lokalisierte Energiezustände innerhalb der Bandlücke. Ladungsträger werden vorübergehend von diesen Zuständen eingefangen und rekombinieren dann, wobei Energie als Wärme freigesetzt wird, ein nicht strahlender Prozess.

Das Gleichgewicht zwischen Erzeugung und Rekombination wird wie folgt beschrieben:

Unter Nichtgleichgewichtsbedingungen verursachen überschüssige Ladungsträger eine Netto-Rekombinationsrate U, die dazu neigt, das Gleichgewicht wiederherzustellen. Bei einer Injektion auf niedrigem Niveau, bei der die Minoritätsträgerkonzentration (Δp) deutlich niedriger ist als die Majoritätsträgerkonzentration, beträgt die Rate:

Trägererzeugungs- und Rekombinationsraten sind bei thermischem Gleichgewicht ausgeglichen. Wenn jedoch externe Kräfte wie Licht oder elektrische Felder dieses Gleichgewicht stören, gerät der Halbleiter in einen Nichtgleichgewichtszustand. Die Dynamik der Rückkehr zum Gleichgewicht beinhaltet komplexe Wechselwirkungen zwischen diesen Erzeugungs- und Rekombinationsmechanismen.