Trägererzeugung und Rekombination - Wikipedia

In der Festkörperphysik von Halbleitern sind Trägergenerierung und Trägerrekombination Prozesse, mit denen mobile Ladungsträger (Elektronen und Elektronenlöcher) erzeugt und eliminiert werden. Trägererzeugungs- und Rekombinationsprozesse sind für den Betrieb vieler optoelektronischer Halbleiterbauelemente wie Fotodioden, Leuchtdioden und Laserdioden von grundlegender Bedeutung. Sie sind auch für eine vollständige Analyse von p-n-Übergangselementen wie bipolaren Übergangstransistoren und p-n-Übergangsdioden kritisch.

Das Elektronen-Loch-Paar ist die grundlegende Einheit von Erzeugung und Rekombination, die einem Elektronübergang zwischen dem Valenzband und dem Leitungsband entspricht, wobei die Erzeugung eines Elektrons ein Übergang vom Valenzband zur Leitung ist Bande und Rekombination führen zu einem umgekehrten Übergang.

Überblick [ edit ]

Elektronische Bandstruktur eines Halbleitermaterials.

Wie andere Festkörper weisen auch Halbleitermaterialien eine elektronische Bandstruktur auf, die durch die Kristalleigenschaften des Materials bestimmt wird. Die tatsächliche Energieverteilung zwischen den Elektronen wird durch das Fermi-Niveau und die Temperatur der Elektronen beschrieben. Bei der absoluten Nulltemperatur haben alle Elektronen eine Energie unterhalb des Fermi-Niveaus. Bei Temperaturen unter null werden die Energieniveaus jedoch nach einer Boltzmann-Verteilung gefüllt.

In undotierten Halbleitern liegt das Fermi-Niveau in der Mitte einer verbotenen Band oder Bandlücke zwischen zwei zugelassenen Bands die Valenzband und 19459017 ] Leitungsband . Das Valenzband, unmittelbar unterhalb des verbotenen Bandes, ist normalerweise fast vollständig besetzt. Das Leitungsband oberhalb des Fermi-Niveaus ist normalerweise fast vollständig leer. Da das Valenzband so nahezu voll ist, sind seine Elektronen nicht mobil und können nicht als elektrischer Strom fließen.

Wenn ein Elektron im Valenzband jedoch genug Energie aufnimmt, um das Leitungsband zu erreichen (als Folge einer Wechselwirkung mit anderen Elektronen, Löchern, Photonen oder dem schwingenden Kristallgitter selbst), kann es zwischen den fast leeren Elektronen frei fließen Energiezustände des Leitungsbandes. Außerdem hinterlässt es ein Elektronenloch, das genauso fließen kann wie ein physikalisch geladenes Teilchen. Die Carrier-Generation beschreibt Prozesse, bei denen Elektronen Energie gewinnen und sich vom Valenzband in das Leitungsband bewegen, wobei zwei mobile Träger entstehen. Rekombination beschreibt Prozesse, bei denen ein Leitungsbandelektronen Energie verliert und den Energiezustand eines Elektronenlochs im Valenzband wieder besetzt. Diese Prozesse müssen sowohl die quantisierte Energie als auch den Impuls sparen, und das Schwinggitter spielt eine große Rolle bei der Impulserhaltung, da Photonen bei Kollisionen sehr wenig Impuls in Bezug auf ihre Energie übertragen können.

Gesamtraten [ edit ]

Das folgende Bild zeigt die Veränderung der Überschussladungsträger (grün: Elektronen und violett: Löcher) mit zunehmender Lichtintensität (Erzeugungsrate / cm3) bei die Mitte eines intrinsischen Halbleiterstabes. Elektronen haben eine höhere Diffusionskonstante als Löcher, was im Vergleich zu Löchern zu weniger Elektronen im Zentrum führt.

Rekombination und Erzeugung erfolgen immer in Halbleitern, sowohl optisch als auch thermisch. Wie von der Thermodynamik vorhergesagt, weist ein Material im thermischen Gleichgewicht Erzeugungs- und Rekombinationsraten auf, die so aufeinander abgestimmt sind, dass die Nettoladungsträgerdichte konstant bleibt. Die resultierende Wahrscheinlichkeit der Besetzung von Energiezuständen in jedem Energieband wird durch Fermi-Dirac-Statistiken angegeben.

Das Produkt der Elektronen- und Lochdichte (${\displaystyle n}$ und ${\displaystyle p}$) ist eine Konstante $] { displaystyle np> n_ {i} ^ {2}}$