M4 Generation-Rekombination

Thema

Ein tiefes Energieniveau innerhalb der Bandlücke dieses Halbleitermaterials – dasselbe tiefe Energieniveau, das bereits in einem anderen Modell dieser Art beschrieben wurde – vermittelt die Shockley-Read-Hall-Rekombination (SRH-Rekombination) zwischen einem Elektron und einem Loch in diesem Halbleitermaterial. Dieses tiefe Energieniveau fängt zunächst einen der beiden Ladungsträger ein, abhängig von der Reihenfolge ihres Auftretens, und anschließend den anderen. Dadurch können sie über dieses tiefe Energieniveau miteinander rekombinieren, anstatt direkt über die gesamte Bandlücke hinweg zu rekombinieren. Die höhere Dichte dieser tiefen Energieniveaus in diesem Halbleitermaterial führt dazu, dass diese SRH-Rekombination häufiger auftritt.

Diese SRH-Rekombination kombiniert sich gemäß der Matthiessen-Regel mit der Strahlungsrekombination, bei der ein Elektron und ein Loch direkt zwischen den Bändern unter Emission eines Photons rekombinieren, und mit der Auger-Rekombination, bei der die bei dieser Rekombination zwischen einem Elektron und einem Loch freigesetzte Energie stattdessen auf einen dritten Ladungsträger übertragen wird, anstatt als Photon emittiert zu werden. Gemeinsam bestimmen sie die mittlere Lebensdauer der Minoritätsträger in diesem Halbleitermaterial: Die Matthiessen-Regel addiert die Rekombinationsraten der drei Mechanismen einzeln, sodass der schnellste der drei Mechanismen – und nicht deren Mittelwert – die mittlere Lebensdauer der Minoritätsträger maßgeblich bestimmt. Da diese durch das tiefe Energieniveau vermittelte SRH-Rekombination schneller als die Strahlungsrekombination und die Auger-Rekombination selbst ist, wird die gesamte Lebensdauer der Minoritätsträger primär durch die SRH-Rekombination bestimmt.

Aus diesem Grund ist in diesem Modell mit seinen drei Rekombinationsmechanismen und der ursprünglich festgelegten Gesamtlebensdauer der Minoritätsträger genau diese Gesamtlebensdauer der kritische Parameter, von dem zwei verschiedene Modelle innerhalb dieser Gruppe abhängen: das Modell für eine Photovoltaikzelle und das Modell für eine Halbleiter-LED oder einen Laser. Je kürzer diese Gesamtlebensdauer der Minoritätsträger ist, desto kürzer ist die Zeit, die jeder Minoritätsladungsträger vor der Rekombination überlebt, und desto ineffizienter nutzen sowohl die Photovoltaikzelle als auch die Halbleiter-LED oder der Laser diesen Minoritätsladungsträger, bevor er verloren geht. Die Dichte dieser tiefen Niveaus – dieselbe Defektdichte, die gemäß der Messenger-Spratt-Gleichung bereits die Halbwertszeit der Minoritätsträger verringert, wenn durch ein anderes, von dieser Gruppe abweichendes Modell beschriebene Versetzungsdefekte in diese tiefen Niveaus eingebracht werden – erhöht sich und führt dazu, dass die SRH-Rekombination dominiert, und zwar noch stärker als die Strahlungsrekombination und die Auger-Rekombination innerhalb dieser Gesamtlebensdauer der Minoritätsträger.

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