ЯРИМ ЎТКАЗГИЧЛАРДА ЗАРЯД ТАШУВЧИЛАР РЕКОМБИНАЦИЯСИ ВА УНИНГ ЯШАШ ВАҚТИГА ТАЪСИРИ Текст научной статьи по специальности «Физика»

УУТ 621.315.592

Аликулов М.Н.

ЯРИМ УТКАЗГИЧЛАРДА ЗАРЯД ТАШУВЧИЛАР РЕКОМБИНАЦИЯСИ ВА УНИНГ ЯШАШ ВАЦТИГА ТАЪСИРИ

Аликулов М.Н.- ф.-м.ф.н., доцент (Кдрши мухандислик-иктисодиёт институти)

В статье рассматриваются фотоэлектрические явления в полупроводниках, а также влияние примесных атомов и рекомбинационных процессов на фоточувствительность фотоэлементов. Разъяснена связь скорости рекомбинации в полупроводниках с концентрацией носителей неравновестного заряда, образующейся под воздействием света. Также показана зависимость времени жизни носителей заряда с расположением центров рекомбинации.

Ключевые слова: кремний, генерация, рекомбинация, носитель, ловушка, время жизни, полупроводник.

The article focuses on the photoelectric phenomena in semiconductors, as well as the influence of impurity atoms and recombination processes on the photosensitivity of photocells. The relationship between the recombination rate in semiconductors and the concentration of nonequilibrium charge carriers formed under the action of light has been explained. The dependence of the lifetime of charge carriers on the location of recombination centers has also been shown.

Key words: silicon, generation, recombination, carrier, trap, lifetime, semiconductor.

Илмий нашрларда рекомбинациянинг уч тури кенг урганилган [1-6]. Булар нурланишли рекомбинация, Оже ёки зарбий рекомбинация ва чукур сатх,лар оркали буладиган Шокли -Рид-Холл рекомбинацияси.

Нурланишли рекомбинация бу электрон-ковак жуфтининг аннигиляция жараёни булиб, ажралаётган энергия фотон куринишида нурланади.

Оже ёки зарбий рекомбинация уч заррачали жараён булиб, электрон-ковак жуфтининг аннигиляцияси жараёнида ажраладиган энергия учинчи заррачага узатилади.

Шокли-Рид-Холл рекомбинациясида рекомбинация жараёнлари кириндили ярим утказгичларда киринди марказлари оркали содир булади.

[7] ишда кириндили ярим утказгичларда содир буладиган рекомбинация жараёнлари урганилган. Ярим утказгичли материалларни ёругликка сезгирлиги, кремнийда киринди атомларини х,осил килган энергетик сатх,ларининг хусусиятларига богликлиги тушунтирилган.

[8] ишда зоналараро рекомбинация тезлигининг ярим утказгичлар зоналари тузилишига богликлиги урганилган. Ярим утказгичли материаллар асосида ёругликка сезгирлиги юкори булган куёш батареяларини ясаш учун нотугри зонали ярим утказгичлардан фойдаланиш максадга мувофиклиги асослаб берилган.

^искача тах,лиллардан куринадики, ярим утказгичларда содир буладиган рекомбинация жараёнлари унинг заряд ташувчилар яшаш вактига таъсири етарличи урганилмаган.

Ярим утказгичларда рекомбинация х,одисасини ва унинг яшаш вактига таъсирини урганиш, ярим утказгичли асбобларда содир буладиган жараёнларни тушуниш ва уларни физик характеристикаларини яхшилаш учун мух,им ахдмият касб этади. Масалан, ярим утказгичлар асосида тайёрланган куёш батареяларининг фотосезгирлиги рекомбинация тезлигига боглик булади. Рекомбинация тезлиги уз навбатида номувозанатив электрон ва коваклар концентрациясига боглик.

Умумий х,олда номувозанатив заряд ташувчилар концентрацияси куйидагича ёзилади

^ + diVjn = Gn- Rn,

^ + дШи

м п

)р — — (1)

бунда, 4п- ва Ар- номувозанатив заряд ташувчилар концентрацияси, ]п ва -ток зичлиги, ва Ср- заряд ташувчилар генерация тезлиги, Яп ва -заряд ташувчилар рекомбинация тезлиги.

йп

Ар

Заряд ташувчиларнинг рекомбинация тезлиги Яп = — , = — га тенг. Бунда т.

ва тр - электрон ва ковакларнинг яшаш вакти.

Заряд ташувчиларнинг рекомбинацияси ва генерацияси тенг булганда (Ап = Ар), номувозанатив заряд ташувчилар яшаш вактини т=тп = тр куринишда ёзиш мумкин.

У х,олда (1) тенглама умумий х,олда ^ = йп — — куринишни эгаллайди. Бундан

куринадики номувозанатив заряд ташувчилар яшаш вакти номувозанатив заряд ташувчиларни концентрациясига богли; булар экан.

Рекомбинация жараёнида электроннинг бошлангич ва охирги энергетик х,олатига нисбатан энергия ажралиб чикишига богли; х,олда рекомбинация жараёни турланади.

"Зона-зона" рекомбинацияда электрон тугридан-тугри утказувчанлик зонасидан валент зонасига утади.

Ёруглик таъсирида электрон валент зонасидан утказувчанлик зонасига утади. Рекомбинация жараёнида электрон олган энергиясини чикариши х,исобига утказувчанлик зонасидан валент зонасига утади (1-расм).

Энергияси Е1 дан Е1 + dE1 гача булган утказувчанлик зонасидаги электрон-ларнинг сони Nc(E)f(E1)dE1 куринишида ифодаланади. Валент зонаси учун бу ифода Ny(E)f(E)dE куринишда булади.

\\\\\\\\\\\\\\\ Е + аБ

1-расм. Ярим утказгичларда рекомбинация жараёнлари

Утказувчанлик зонасида электронлар, валент зонасида эса коваклар канча куп булса, рекомбинация сони х,ам шунча куп булади ва куйидагича ифодаланади,

dr = W(E1,E)Nc (E)Ny(E)f(E1)f (E)dEdE1

(2)

ташки таъсир остида ярим утказгичларда х,осил буладиган номувозанатив заряд ташувчиларнинг Ферми функцияси

f (E)

ехр

кТ

+1

f(E)

ехр

Е-.,

кТ

+1

п = п +Ап = Nc ехр

Fn - Ес кТ

р = Ро + А р = ^ ехр

( Е - . ^

^у г р

~кТ

п . р = по ро ехр

(. - . ^

п р

кТ

п ехр

. - .

п р

кТ

у х,олда,

, Е1 - Ес Е, - Е

f(E1)f(E) = .1И^ е -Т-е

кТ

Ny • ^

(2) тенгламани интегралласак:

г = | dr = Ц W (ЕЕ^ЩЕ1^^ (Е1) f (E)dEdE1

бу ифода тула рекомбинацияни беради. гт = у. п . р (3). Бу ерда у - рекомбинация коэффициенти

1 Г Г , , е1~ес ЕУ~Е „

— ] ] W(Е1,Е)Ыа (Е1)ЫУ (Е) е—^е~—<1Е<1Ех

1 = —ЛЕ1 =ЕсЕ-~

Го =1г По Ро (4)

таш^и таъсир булмаганда, коронгидаги рекомбинация.

Факат ташки таъсир остида кузатиладиган рекомбинация тезлиги (3) дан (4) ни айириш оркали хосил килинади.

гёруг = гг -го = у г [к + Ап)(Ро + Ар) - ПоРо ] = = уг [поро + ПоАр + роАп + АпАр - Поро ]= уг(А про+ АрПо+ А п Ар) (5)

Демак, ёруглик таъсирида юз берадиган рекомбинация тезлиги номувозанатив заряд ташувчиларнинг концентрациясига боглик булар экан. Ярим утказгичли материалларда хджмий рекомбинация тезлигини камайтириш учун уни нурланишдан х,имоя килиш ёки нурланишга сезгирлигини камайтириш лозим булади.

Рекомбинация марказлари оркали юз берадиган рекомбинацияда, рекомбинация марказлари сифатида ярим утказгичнинг такикланган зонасида киринди атомлари томонидан х,осил килинадиган энергетик сатх,лар роль уйнайди. Ярим утказгичли материаллар таркибига чукур сатх, х,осил килувчи кириндилар (Аи,№,Со,Р^1г,КЪ,....) киритилганда заряд ташувчиларнинг концентрациясини узгаришига бу эса уз навбатида рекомбинация тезлигининг узгаришига олиб келади. Кремнийда саёз сатх,лар рекомбинация жараёнига таъсир килмайди. Чунки бундай марказлар тула ионлашган х,олатда булади. Бунда электрон олдинига утказувчанлик зонасидан рекомбинация сатх,ига, кейин рекомбинация сатх,идан валент зонасига утади. Таъкидлаш жоизки, ярим утказгичга киринди киритилиши оркали уни ёругликка сезгирлиги ортиши ёки аксинча камайиши мумкин. Бу киринди атомларининг кремнийда х,осил килган энергетик сатх,ларининг хусусиятига боглик.

Сиртий рекомбинация купгина х,олларда ярим утказгичли асбобларда х,ал килувчи роль уйнайди. Ярим утказгичнинг сирти ва ярим утказгичнинг бошка материаллар билан контакт килинган сохдларида куп микдорда рекомбинация марказларини х,осил килади, модомики чегарада ва кристалл сиртидаги атомлар ва кушни атомлар уртасида узилиш пайдо булади. Сиртий рекомбинация технологик жараёнлар билан боглик булар экан.

Рекомбинация заряд ташувчиларнинг яшаш вактига таъсир килади. Электрон ковак жуфтларининг нурланишли рекомбинация жараёнидаги яшаш вактини х,исоблаб куриш мумкин. Маълумки, Уг рекомбинация коэффициентини рекомбинация эффектив кесими 5эфф ёрдамида куйидаги куринишда ифодалаш мумкин

Уг = ^эфф^ , (6)

бунда $-электронларнинг уртача иссиклик тезлиги. Номувозанат х,олатдаги жуфтларнинг яшаш вакти

Ап Ап 1 /п,

т = — =-=--(7)

гп уг(пр-п0р0) уг(п0+р0+Ап)

Мувозанат х,олатида п0р0 = п% эканлигини х,исобга олиб (7) ифодадан п0 ёки (р0) буйича олинган х,осилани нолга тенглаб, т нинг п0 = р0 булганда, яъни хусусий ярим утказгичда максимал булишини аниклаймиз

*тах = Ъ = ^Т^ (8)

Германий учун Т=300 К, г0 = 2,8 • 1019см_3 • с-1. Бундан

r0 2,8 -1019 _

Уг = =«гтоя=0,5 •10 ™3/с

Электронларнинг Т=300 К да уртача иссиклик хдракат тезлиги д тахминан 107см/с чамасида

5эфф = ==10_21см2. Ge учун (8) формуладан х,исоблаб топилган максимал яшаш вакти

1

Т; = -- = 0,43 с

2Yrni

Бир нечта хусусий ярим утказгичлар учун хона хдроратида х,исобланган катталиклар 1-жадвалда келтирилган.

1-жадвал

Хусусий ярим утказгичлар учун хона х,ароратида хисобланган катталиклар

Ярим Т,К R, см 3 с 1 n, см 3 7, см3с 1 г, с S, см2

утказгич

Олмос 295 4,0- 10"66 6,68- 10"28 8,96- 10"12 8,35^ 10+37 9,48- 10"19

Si 290 9,2- 10+4 7,16^ 10+9 1,88-10"15 1,48^ 10+3 1,87^ 10"22

Ge 300 2,85- 10+13 2,33^ 10+13 5,25^ 10"14 4,09 • 10"1 5,5^ 10"21

Te 300 3,0- 10+20 5,93^ 10+15 8,53^ 10"12 9,88^ 10"6 8,95^ 10"10

GaP 300 4,0- 10"13 2,73 5,37^ 10"14 3,41^ 10"12 5,63^ 10"21

GaAs 294 1,2^ 10+3 1,29^ 10+6 7,21- 10"10 5,37^ 10+2 7,64- 10"17

GaSb 300 2,2^ 10+14 9,6^ 10+11 2,39^ 10"10 2,58- 10"3 2,51 10"17

InP 298 6,0^ 10+6 6,9^ 10+4 1,26^ 10"9 5,75^ 10+1 1,33-10"16

InAs 298 5,8^ 10+19 8,26^ 10+14 8,5^ 10"11 7,12^ 10"6 8,94^ 10"18

InSb 295 1,03^ 10+22 1,5- 10+16 4,58^ 10"11 7,28^ 10"7 4,84^ 10"18

Жадвалдан куриниб турибдики, тугри зонали тузилиша эга булган GaAs, GaSb, InP, InAs, ва InSb бирикмалари учун Yr рекомбинация коэффициенти нотугри зонали ярим утказгичларникидан бир неча марта катта булади. Х,исоблашларнинг курсатишича, кремнийдан бошка ярим утказгичларда температура пасайганда уг ортади, бу эса уз навбатида яшаш вактини камайишига олиб келади.

Асосий булмаган заряд ташувчиларнинг яшаш вакти температурага боглик. Буни n-тип утказувчанликка эга, такикланган зонасининг юкори сохдсида ётган рекомбинация туткичига эга кремний мисолида куриш мумкин. Жуда паст температураларда рекомбинация туткичлари электронлар билан тулган булади. Бунда рекомбинациянинг биринчи боскичи тез амалга ошади ва яшаш вакти катта булмайди. Х,арорат ортиши билан Ферми сатх,и паст томога силжиб, рекомбинация туткичи энергетик сатх,и якинига жойлашади. Бундан куринадики барча туткичлар х,ам электронлар билан тулмаган, яъни ярим утказгичда ковакларни барча туткичлар х,ам ушлаб кололмайди. Шуниг учун хдрорат ортиши билан яшаш

Кристалл таркибидаги нуксонлар х,исобига кремнийнинг такикланган зонаси уртасида х,осил буладиган рухсат этилган энергетик сатх,ларга туткичлар деб юритилади.

Электронларни яшаш вакти куйидаги формула билан аникланади

тэт =----(9)

п у W[1 -К(Ei)] V '

бунда N-туткичлар концентрацияси, N[1 — K(Et)] - буш туткичлар концентрацияси, К(£^)-электроннинг такикланган зона кенглиги уртасида булиш э^тимоллиги.

Шунингдек коваклар учун яшаш вакти

тв = —-— (10)

Р Y NK(Ei) v '

Бу икки ифодадан фойдаланиб номувозанати заряд ташувчиларнинг яшаш вактига

таъсир килувчи сабаблар тугрисида хулосалар чикариш мумкин.

1) Яшаш вакти туткичлар концентрациясига боглик. Ярим утказгич кристали

таркибидаги нуксонлар ортгани сари, яшаш вакти камайиб борар экан.

2) Яшаш вакти кириндиларнинг концентрациясига боглик экан.

3) Яшаш вакти температурага боглик, яъни температура ортиши билан,

номувозанатив заряд ташувчиларни яшаш вакти ортиб борар экан.

АДАБИЁТАР

1. Бочкараева Н.И., Ребане Ю.Т., Шритер Ю.Г. Рост скорости рекомбинации Шокли-Рида-Холла в квантовых ямах InGaN/GaN как основной механизм падения эффективности светодиодов при высоких уровнях инжекции. //Физика и техника полупроводников, 2015, том 49, вып. 12, с.1714-1719.

2. Dyakonov M.I., Kachorovskii V.Y. Nonthreshold Auger recombination in quantum wells //Phys.Rev. B.American Physical Society, 1994. Vol. 49. №24. P.17130-17138.

3. Krishnamurthy S.,Berding M.A. Yu.Z.G. Minority carrier lifetimes in HgCdTe alloys// J/Electron. Mater.Springer-Verlag, 2006. Vol.35, №6, P.1369-1378.

4. Casselman T.N., Petersen P.E. A comparison of the dominant Auger transitions in p-type (Hg, Cd)Te// Solid State Commun. 1980. Vol.33, №6, P.615-619.

5. Iveland J., Piccardo M.,Martinelly L., Peretti J., ChoiJ.W., Young N., Nakamura S., Speck J.S., Weisbuch C. //Appl.Phus.Lett.,105,052103(2014).

6. Яковлева Н.И. Механизмы Оже-рекомбинации в узкозонных полупроводиноковых структурах HgCdTe. //Успехи прикладной физики, 2018, том 6, №2, с. 130-139.

7. Alikulov M.N. The effect of recombination processes on the photosensitivity of semiconductor colar cells. Journal of Critical Reviews vol 7. 2020 pp. 66-69.

8. Аликулов М.Н. Зоналараро рекомбинация тезлигининг ярим утказгичлар зоналарининг тузилишига богликлиги. "Инновацион технологиялар" журнали №3, ^арши 2020 йил, 36-39 бет.