10.4 : Nozioni di Base sui Semiconduttori

La generazione del portatore è il processo mediante il quale vengono create coppie elettrone-lacuna (EHP) all'interno del semiconduttore. Nei semiconduttori a banda proibita diretta, come l'arseniuro di gallio (GaAs), ciò avviene in modo efficiente quando l'assorbimento di energia spinge gli elettroni di valenza a saltare nella banda di conduzione, lasciando dietro di sé lacune.

Questo processo è dato dalla velocità di generazione G ed è efficiente grazie alla conservazione della quantità di moto, tra il massimo della banda di valenza e il minimo della banda di conduzione.

La generazione indiretta prevede un passaggio intermedio ed è tipica dei semiconduttori con banda proibita indiretta come il silicio (Si). I semiconduttori con banda proibita indiretto, richiedono ulteriore slancio da parte dei fononi, rendendo la generazione di portanti meno efficiente. La generazione di coclee e la ionizzazione per impatto, producono più EHP in ambienti ad alta energia, come forti campi elettrici.

La ricombinazione è il processo che riduce il numero di portatori gratuiti. La ricombinazione diretta banda-banda avviene nei semiconduttori come l'arseniuro di gallio, dove elettroni e lacune si ricombinano direttamente senza stati intermedi.

La velocità di ricombinazione per un semiconduttore di tipo n, dove gli elettroni sono i portatori maggioritari, è data da:

Dove B è il coefficiente di ricombinazione e n e p sono rispettivamente le concentrazioni di elettroni e lacune. La ricombinazione indiretta coinvolge trappole: stati energetici localizzati all'interno della banda proibita. I portatori vengono temporaneamente catturati da questi stati e poi si ricombinano, rilasciando energia sotto forma di calore, un processo non radiativo.

L’equilibrio tra generazione e ricombinazione è descritto da:

In condizioni di non equilibrio, i portatori in eccesso provocano un tasso di ricombinazione netto U, che tende a ripristinare l'equilibrio. All'iniezione a basso livello, dove la concentrazione del portatore minoritario (Δp), è significativamente inferiore alla concentrazione del portatore maggioritario, la velocità è:

Le velocità di generazione e ricombinazione dei portatori sono bilanciate all'equilibrio termico. Tuttavia, quando forze esterne come la luce o i campi elettrici disturbano questo equilibrio, il semiconduttore entra in uno stato di non equilibrio. Le dinamiche del ritorno all'equilibrio implicano interazioni complesse tra questi meccanismi di generazione e ricombinazione.