Рекомбинации электронов

Инжекционные светодиоды представляют собой излучающий р — «-переход, свечение которого вызвано рекомбинацией носителей тока (дырок и электронов) при смещении перехода в прямом направлении.

Светодиодами называются маломощные полупроводниковые источники света, основой которых является излучающий />-«-переход; свечение его вызвано рекомбинацией носителей заряда. Неосновные носители в базе (инжектированные эмиттером) рекомби-нируют и излучают освободившуюся энергию в виде квантов света. Наиболее интенсивно такая излуча-тельная рекомбинация происходит в так называемых прямозонных полупроводниках, типичным представителем является арсенид галлия. Такие полупроводники имеют специфическую зонную диаграмму.

Пренебрегая тепловым током коллектора /Кбо и рекомбинацией носителей зарядов в базе, можно считать, что ток базы равен электронной составляющей тока эмиттера

Пусть имеется полупроводниковый образец л-типа ( 3.8). Толщина образца w много меньше двух других его размеров: пу<С •С6; ш<са; следовательно, поверхностной рекомбинацией носителей заряда на боковой поверхности образца можно пренебречь.

заряда в образце. Если пренебречь рекомбинацией носителей заряда на поверхности образца и контакте, то можно считать, что уменьшение концентрации носителей заряда происходит только за счет их рекомбинации в объеме. В этом случае, учитывая сферическую симметрию распределения неравновесных носителей заряда, из уравнения непрерывности для неосновных носителей заряда, например для дырок д\р(г, 0 _ Ар (г, О dt гр

Зависимость Дл,-/* от времени т содержит две экспоненциальные составляющие: ехр ( — */тп), связанную с рекомбинацией носителей заряда в объеме образца, и ехр ( — v,/^). связанную с поверхностной рекомбинацией.

Эффективным методом анализа переходных процессов изменения коллекторного тока в импульсных схемах является метод заряда. Будем считать, что транзистор л-^-п-типа включен по схеме с общим эмиттером, сопротивление коллекторной нагрузки близко к нулю, базовая цепь питается от генератора тока, который может обеспечивать изменения отпирающего базового тока с пренебрежимо малой длительностью фронта. Для такого транзистора электроны в базе являются неосновными носителями. Заряд электронов в базе Q соответствует заряду неосновных носителей. Изменение этого заряда dQ/dt может вызываться двумя причинами: 1) изменением базового тока /б(0; 2) рекомбинацией носителей в базе. Последняя составляющая заряда равна — Q/в, где в — время жизни носителей в базе.

Под действием тепловой энергии электроны в зоне проводимости, так же как и дырки в валентной зоне, совершают хаотическое движение. При этом возможен и обратный процесс — возвращение электронов из зоны проводимости в валентную зону на свободные уровни. Процесс исчезновения свободных пар электрон - дырка называют рекомбинацией носителей заряда.

Входные и выходные статические характеристики транзистора для схемы с ОЭ. Семейство входных статических характеристик представляет собой зависимости /Б=/(1А;-э) ПРИ и'кэ = const и показано на 17.8, а. Ток базы представляет собой алгебраическую сумму токов, один из которых вызван рекомбинацией носителей заряда эмиттера и базы (он пропорционален току эмиттера), другой является обратным током коллекторного перехода. Чем больше напряжение [/БЭ, тем больше ток базы, так как при увеличении прямого напряжения на эмиттерном переходе снижается потенциальный барьер. Преодолеть его в этом случае может большее число основных носителей заряда эмиттера (дырок), и большее число их сможет рекомбиниро-вать с электронами базы. Рекомбинационная составляющая тока базы, являясь частью тока эмиттера (хотя и незначительной), определяет характер входной характеристики, который близок к характеру входной характеристики для схемы с ОБ.

Толщина p-n-перехода в диодах значительно меньше диффузионной длины носителей заряда. Однако процессы генерации и рекомбинации носителей в p-n-переходе идут более интенсивно, чем в прилегающих к нему областях. Поэтому составляющие тока полупроводникового диода, связанные с генерацией и рекомбинацией носителей в р-/г-переходе, могут быть существенными.

новными и рекомбинируют. Кроме того, через эмиттерный переход проходит ток, связанный с рекомбинацией носителей в области объемного заряда (/Эрек), а иногда (при малых общих токах) нужно учитывать и ток утечки.

К самостоятельным видам разряда относятся такие, для поддержания которых не требуется внешних источников ионизации газа. Тлеющий разряд как вид самостоятельного разряда возникает между анодом и катодом при напряжении, достаточном для лавинообразного развития процесса ионизации газа движущимися под воздействием электрического поля электронами и процесса выбивания вторичных электронов с катода положительными ионами. Тлеющий разряд сопровождается процессами рекомбинации электронов и ионов. При этом выделяется энергия в виде фотонов и газ светится. Цвет свечения определяется составом газа-наполнителя. Так как процессы ионизации и рекомбинации происходят в основном вблизи катода, то свечение наблюдается в прикатодной области.

Фоторезисторы обладают значительной инерционностью, обусловленной временем генерации и рекомбинации электронов и дырок, происходящих при изменении освещенности фоторезистора. Время установления стационарного значения фотопроводимости называют временем фотоответа фоторезистора. Оно определяет максимально допустимую частоту модуляции светового потока, т. е. частотный диапазон работы фоторезистора.

В результате чередования освещенности Солнцем (день, ночь), изменения интенсивности солнечного излучения и процессов рекомбинации электронов и ионов картина расположения и концентрации ионизированных слоев очень изменчива. Так, ночью слои D и Е практически исчезают. Высота слоев также может значительно изменяться.

Из (2.25) видно, что Sn и Sp выражают относительную долю избыточных носителей заряда, ежесекундно рекомбинирующих в единице площади поверхности полупроводника, эти коэффициенты имеют размерность скерости и называются скоростями поверхностной рекомбинации электронов и дырок. Связь между скоростью поверхностной рекомбинации и временем жизни т в общем случае установить трудно, найдены решения этой задачи только для частных случаев.

Инжектированные в базу электроны, являясь в ней избыточными неосновными носителями заряда, диффундируют в направлении от эмиттера к коллектору. В процессе переноса избыточных электронов диффузией через базу часть их рекомбинирует с дырками, не попадая в. область коллектора. Дырки, необходимые для рекомбинации электронов, поступают из внешней цепи за счет тока базы /g.

В полупроводниковых лазерах активные частицы возбуждаются за счет энергии электрического тока, проходящего через п—р-переход. Свет излучается при рекомбинации электронов с дырками. Среди множества излучаемых фотонов имеется хотя бы один, направленный строго параллельно плоскости п—р-перехода. Этот фотон стимулирует излучение себе подобных, которые, многократно отразившись от полированных граней кристалла, используемых в качестве зеркала, образуют мощный световой поток. Полупроводниковые лазеры-генераторы — это эффективные преобразователи электрической энергии в световую, их к. п. д может доходить до 95 %.

Наиболее широкое распространение в качестве электролюминесцентных источников получили инжекционные светодиоды, в которых испускание света определяется механизмом межзонной рекомбинации электронов и дырок. Если пропускать достаточно большой ток инжекции через p-n-переход (в прямом направлении), то часть электронов из валентной зоны перейдет в зону проводимости ( 9.5). В верхней части валентной зоны образуются свободные состояния (дырки), а в нижней части зоны проводимости — заполнение состояния (электроны проводимости). Такая инверсная заселенность не является равновесной

Поступающие от внешнего источника в «-область электроны продвигаются к ^-«-переходу, создавая электронный ток /„. По мере приближения к переходу, вследствие рекомбинации электронов с дырками, этот ток спадает до нуля. Суммарный же ток в «-области /ДИф =/р +/„ во всех точках полупроводника «-типа остается неизменным. Одновременно с инжекцией дырок в «-область происходит инжекция электронов в р-область. Протекающие при этом процессы аналогичны описанным выше.

Излучательные переходы могут происходить, например, в результате рекомбинации электронов, захваченных на примесный уровень вблизи дна зоны проводимости с дырками в валентной зоне, или в результате рекомбинации дырок, находящихся на локальных уровнях вблизи потолка валентной зоны с электронами из зоны проводимости.

В результате рекомбинации электронов с дырками выделяется квант энергии — фотон.

Светоизлучающий диод — полупроводниковый диод, излучающий энергию в видимой области спектра в результате рекомбинации электронов и дырок. Светоизлучающий диод может быть самостоятельным прибором или входить в качестве излучающего элемента в конструкцию оптопары. В качестве самостоятельного прибора излучающий диод применяется в световых индикаторах, в которых используется явление излучения света р-п переходом при прохождении через него прямого тока. Кванты света возникают в процессе рекомбинации инжектируемых р-п переходом в базу диода неосновных носителей с основными носителями заряда. Такое явление называется люминесценцией. Люминесценцию такого типа можно возбудить постоянным и переменным током; пороговое напряжение, при котором начинается излучение, близко по величине к контактной разности потенциалов р-п перехода. Свечение охватывает видимый спектр излучения. Яркость свечения линейно зависит от плотности тока, цвет свечения — от ширины запрещенной зоны и типа полупроводника. Для создания красно-оранжевого и желтого свечений применяют карбид кремния, а для создания красного или зеленого свечения — полупроводники из арсенида галлия.