E5 Defekte und tiefe Ebenen

Thema

Ein Defekt im Kristallgitter dieses Halbleitermaterials oder eine darin vorhandene Übergangsmetallverunreinigung führt – anders als die flachen Donator- und Akzeptorverunreinigungen, die bereits in einem anderen Modell dieses Systems nahe der Bandlücke beschrieben wurden – zu einem tiefen Energieniveau innerhalb der Bandlücke. Dieses tiefe Energieniveau liegt deutlich näher an der Mitte der Bandlücke als an deren Enden und erfordert daher eine wesentlich höhere Ionisierungsenergie als die geringe Ionisierungsenergie, die bereits für die gleiche flache Donator- oder Akzeptorverunreinigung notwendig ist. Je ausgeprägter dieser Defekt im Kristallgitter des Halbleitermaterials ist oder je höher die Konzentration dieser Übergangsmetallverunreinigung ist, desto höher ist die Dichte dieser tiefen Energieniveaus innerhalb der Bandlücke.

Die Besetzung dieses tiefen Energieniveaus – ob sich zu einem bestimmten Zeitpunkt ein Ladungsträger dort tatsächlich befindet – hängt sowohl vom Fermi-Niveau des Halbleitermaterials ab, das bereits in einem anderen Modell dieses Systems bestimmt wurde, als auch von der thermischen Geschwindigkeit der freien Ladungsträger, die sich um dieses Niveau bewegen. Je näher das Fermi-Niveau an diesem tiefen Niveau liegt, desto länger bleibt es von einem eingefangenen Ladungsträger besetzt. Umgekehrt erhöht eine höhere thermische Geschwindigkeit dieser freien Ladungsträger die Häufigkeit, mit der einer von ihnen mit diesem tiefen Niveau kollidiert, um entweder dort eingefangen zu werden oder, falls er bereits eingefangen war, zu entkommen. Je näher das Fermi-Niveau an diesem tiefen Niveau liegt, desto höher ist die Besetzung dieses tiefen Niveaus.

Folglich gilt: Je näher das Fermi-Niveau an diesem tiefen Niveau liegt, desto höher ist die Besetzung dieses tiefen Niveaus. Daher bewirkt dieses Modell mit dem tiefen Niveau und seiner Besetzung bei Öffnung, dass dasselbe tiefe Niveau je nach Fall entweder als Rekombinationszentrum fungiert, das ein anderes Modell dieser Reihe genauer beschreibt, oder als Ladungsfalle, die experimentell durch kapazitive Relaxation nach einem Füllpuls ein anderes Modell dieser Reihe charakterisiert: Als Rekombinationszentrum fängt dieses tiefe Niveau zuerst ein Elektron und dann ein Loch ein oder umgekehrt, sodass beide über das Niveau anstatt direkt über die gesamte Bandlücke miteinander rekombinieren können. Als Ladungsfalle fängt dieses tiefe Niveau Ladungsträger ein und gibt sie wieder frei, ohne dass eine Rekombination stattfindet. Die Tatsache, dass die Dichte dieser tiefen Niveaus, die hier durch einen Defekt im Kristallgitter oder durch eine Übergangsmetallverunreinigung hervorgerufen werden, der Defektdichte entspricht, die gemäß der Messenger-Spratt-Gleichung bereits die Trägerlebensdauer dieses Halbleitermaterials verschlechtert, wenn derselbe Defekt im Kristallgitter durch Versetzungsschäden, beschrieben durch ein anderes Modell dieser Reihe, hervorgerufen wird, bedeutet, dass beide Modelle im Wesentlichen dieselbe physikalische Konsequenz beschreiben, nämlich dass dieses tiefe Niveau als Rekombinationszentrum wirkt.

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