Name: semiconductor charge carriers: creation and loss
Uploaded: 2024-07-08T13:20:08.000Z
Duration: 1 min 22 s
Channel: JoVE

יצירת נשא מתייחסת ליצירת זוגות חורי אלקטרונים.
יצירת פלסטר לפס מתרחשת במוליכים למחצה במרווח פס ישיר באמצעות עירור תרמי או בליעת פוטונים. במוליכים למחצה כאלה, למקסימום פס הערכיות ולמינימום פס ההולכה יש אותו מומנטום.
יצירה עקיפה של נשאים מתרחשת על ידי קליטת אנרגיית סריג מפונונים והיא דומיננטית במוליכים למחצה עקיפים, שיש להם את פס הערכיות שלהם מקסימום ואת פס ההולכה המינימלי בתנע שונה.
בדור אוז'ה, נשאים נוצרים על ידי צריכת אנרגיה של חלקיק אנרגטי מאוד. אותם חלקיקים בעלי אנרגיה גבוהה יכולים ליצור זוגות אלקטרונים מרובים באמצעות השדה החשמלי הגבוה הזמין במהלך יינון הפגיעה.
לעומת זאת, רקומבינציה היא תהליך של השמדת אלקטרונים וחורים.
ברקומבינציה של פס-אל-פס, האלקטרון עובר מההולכה לפס הערכיות, ומשחרר פוטון.
במהלך רקומבינציה עקיפה, מצבי אנרגיה מקומיים הנקראים מלכודות מנוצלים למעברים בין פסי ההולכה והערכיות, ומשחררים אנרגיה כחום.
רקומבינציה של Auger כוללת רקומבינציה של אלקטרון וחור, המעבירה את האנרגיה המתקבלת למוביל אחר.

יסודות מוליכים למחצה

Carrier Generation and Recombination

<div style="direction:rtl">
יצירת נושאי מטען הוא התהליך שבו נוצרים צמדי אלקטרונים-חור (EHPs) בתוך המוליך למחצה. במוליכים למחצה בעלי פס ישיר, כגון גליום ארסניד (GaAs), זה מתרחש ביעילות כאשר ספיגת אנרגיה מזמינה אלקטרונים ערכיים לזנק לתוך פס ההולכה, ומשאירים מאחוריהם חורים.

תהליך זה ניתן על ידי קצב היצור G והוא יעיל בשל שימור המומנטום בין פס הערכיות המקסימלי לפס ההולכה המינימלי.

יצירה עקיפה כוללת שלב ביניים והוא אופייני במוליכים למחצה עקיפים עם פערי פס כמו סיליקון (Si). מוליכים למחצה בפער פס עקיף דורשים מומנטום נוסף מפונונים, מה שהופך את יצירת נושאי מטען לפחות יעילה. ייצור יצירת אווגר ויינון השפעה מייצרים EHPs מרובים בסביבות עתירות אנרגיה, כגון שדות חשמליים חזקים.

רקומבינציה היא התהליך שמפחית את מספר נושאי מטען חופשיים. רקומבינציה ישירה של פס-לפס מתרחשת במוליכים למחצה כמו גליום ארסניד, כאשר אלקטרונים וחורים מתחברים ישירות ללא מצבי ביניים.

קצב הרקומבינציה עבור מוליך למחצה מסוג n, שבו האלקטרונים הם רוב הנשאים, ניתן על ידי:

<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/15154/15154_Equation_1.svg" style="text-align: center; height: 20px;">

כאשר B הוא מקדם הרקומבינציה, ו-n ו-p, הם ריכוזי האלקטרונים והחורים, בהתאמה. רקומבינציה עקיפה כרוכה במלכודות: מצבי אנרגיה מקומיים בתוך פער האנרגיה. נשאים נתפסים באופן זמני על ידי מצבים אלה ואז מתחברים מחדש, משחררים אנרגיה כחום, תהליך לא קרינתי.

שיווי המשקל בין דור לרקומבינציה מתואר על ידי:

<img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/15154/15154_Equation_2.svg" style="text-align: center; height: 20px;">

בתנאים שאינם שיווי משקל, עודף נשאים גורם לקצב רקומבינציה נטו U, אשר נוטה לכיוון החזרת שיווי המשקל. בהזרקה ברמה נמוכה, שבה ריכוז נשא המיעוט (Δp) נמוך משמעותית מריכוז נשא הרוב, השיעור הוא:

<img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/15154/15154_Equation_3.svg" style="text-align: center; height: 18px;">

יצירת נושאי מטען ושיעורי רקומבינציה מאוזנים בשיווי משקל תרמי. עם זאת, כאשר כוחות חיצוניים כגון אור או שדות חשמליים מפריעים לשיווי משקל זה, המוליך למחצה נכנס למצב שאינו שיווי משקל. הדינמיקה של החזרה לשיווי משקל כרוכה באינטראקציות מורכבות בין מנגנוני היצירה והרקומבינציה הללו.
</div>

יצירת נשא מתייחסת ליצירת זוגות חורי אלקטרונים.
יצירת פלסטר לפס מתרחשת במוליכים למחצה ישירים של פער להקה באמצעות עירור תרמי ...

Education

JoVE Core

Electrical Engineering

הנדסה חשמלית

Unit 1

יחידה 1

Basics of Semiconductors

יסודות של מוליכים למחצה

KEY TERMS AND CONCEPTS

מונחים ומושגים מרכזיים

semiconductor charge carriers: creation and loss

Carrier generation and recombination control how free charge carriers change inside a semiconductor. Carrier generation creates electron-hole pairs, or EHPs, when electrons move from the valence band into the conduction band and leave holes behind. Carrier recombination does the opposite and lowers the number of free carriers.

In direct-bandgap semiconductors such as gallium arsenide, generation happens efficiently because energy absorption can move a valence electron straight to the conduction band. This works well when momentum is conserved between the valence band maximum and the conduction band minimum. Indirect generation is different and is common in indirect-bandgap semiconductors like silicon. It uses an intermediate step and needs extra momentum from phonons, so it is less efficient.

Some high-energy conditions can create more than one EHP. Auger generation and impact ionization both produce multiple electron-hole pairs, especially in strong electric fields. These processes show how carrier populations can rise quickly under extreme energy input.

Recombination removes free charge carriers. In direct band-to-band recombination, seen in materials like gallium arsenide, electrons and holes recombine directly without a middle state. For an n-type semiconductor, where electrons are the majority carriers, the recombination rate depends on the recombination coefficient B and on the electron and hole concentrations, n and p.

Indirect recombination uses traps, which are localized energy states inside the bandgap. Carriers can be captured by these states and then recombine later. This process releases energy as heat, so it is non-radiative.

At thermal equilibrium, generation and recombination are balanced. When light or an electric field pushes the semiconductor out of equilibrium, excess carriers create a net recombination rate U that works to restore balance. At low-level injection, where the minority carrier change Δp is much smaller than the majority carrier concentration, the recombination rate follows a simpler form. These interactions describe how semiconductors return to equilibrium after disturbance.

Semiconductor Charge Carriers: Creation and Loss

semiconductor-charge-carriers-creation-and-loss

energy bands in solids

Valence and Conduction Bands in Silicon

Valence and conduction bands explain how electrons behave in solids. In isolated atoms, electrons occupy discrete energy levels that the Bohr model describes well. The hydrogen atom, for example, has specific electron energies labeled by the quantum number n, and higher n values give levels that are less negative and closer together. When atoms move close together in a solid, those discrete levels start to split. This happens because electron orbitals from neighboring atoms overlap. The Pauli...

semiconductors

Energy Bands in Metals and Insulators

Materials conduct electricity in different ways because their energy bands are arranged differently. Metals, semiconductors, and insulators can be compared with energy band diagrams. These diagrams show how easily electrons can move when an electric field is applied. Metals such as copper, zinc, and lead have low resistivity. Their conduction band is not fully occupied, or it overlaps with the valence band, so a band gap is essentially absent. Electrons in the highest valence energy levels can...

types of semiconductors

Intrinsic and Doped Semiconductors

Intrinsic semiconductors are very pure materials with no impurities. At absolute zero, they act as perfect insulators because the valence electrons are bound and the conduction band is empty. That means electrical conduction cannot occur under those conditions. The Fermi level helps describe the chance that an energy level is occupied by an electron at thermal equilibrium. In an intrinsic semiconductor, the Fermi level sits near the middle of the band gap at absolute zero. As temperature...

carrier generation and recombination

Carrier generation and recombination control how free charge carriers change inside a semiconductor. Carrier generation creates electron-hole pairs, or EHPs, when electrons move from the valence band into the conduction band and leave holes behind. Carrier recombination does the opposite and lowers the number of free carriers. In direct-bandgap semiconductors such as gallium arsenide, generation happens efficiently because energy absorption can move a valence electron straight to the...

carrier transport

Drift and Diffusion in Semiconductors

Drift and diffusion are the two main ways electric current forms in semiconductors. These charge-carrier motions help determine how semiconductor devices work and how well they perform. The carriers involved are electrons and holes. Drift current begins when an external electric field acts on charge carriers. Electrons and holes move between collisions with lattice atoms, and this motion creates drift velocity. For electrons, drift velocity depends on electron mobility and the electric field...

p-n junction

P-N Junction Depletion Region

A p-n junction forms when p-type and n-type semiconductor materials are joined together. At the boundary, holes from the p-side and electrons from the n-side diffuse into the opposite side because of the concentration gradient. This movement leaves a region with no free charge carriers near the junction, called the depletion region. The charge density in the depletion region can be described on the n-side and p-side using the donor and acceptor doping concentrations, ND and NA. The fixed...

biasing of p-n junction

P-N Junction Diode Under Bias

P-N junction diodes change behavior under equilibrium, forward bias, and reverse bias. In equilibrium, no external voltage is applied across the junction. Carriers diffuse at the boundary and leave behind charged dopants. Acceptors remain on the p-side, and donors remain on the n-side. These fixed charges form a depletion region and an electric field that blocks further diffusion. The band diagram at equilibrium shows the Fermi levels on both sides aligned. That alignment means the junction is...

metal-semiconductor junctions

Schottky and Ohmic Metal Contacts

Metal contacts with semiconductors can form either Schottky or Ohmic junctions. The result depends on the work function of the metal, the work function of the semiconductor, and how electrons move when the two materials touch. At equilibrium, the Fermi levels align, so charge shifts until both sides match in energy. Schottky barriers form when a metal with work function Φm contacts a semiconductor with a different work function Φs. If Φm is greater than Φs, the semiconductor Fermi level starts...

biasing of metal-semiconductor junctions

How Bias Changes Metal-Semiconductor Current

Biasing metal-semiconductor junctions means applying a voltage across the junction. The metal connects to the voltage source, and the semiconductor is grounded. This setup helps control the direction and size of current in devices such as diodes, transistors, and photovoltaic cells. In a Schottky junction with an n-type semiconductor, a positive voltage on the metal lowers its Fermi level. A Fermi level is the energy level that helps describe how electrons are distributed. Lowering this level...

fermi level

Fermi Level in Semiconductors

The Fermi level is a key energy level in semiconductors. It sits between the lower-energy valence band and the higher-energy conduction band. The Fermi-Dirac function, which follows an S-shaped curve, shows the chance that an energy state is filled by an electron at a given temperature. At absolute zero, electrons occupy every energy state up to the Fermi level. States above it stay empty. As temperature rises, electrons gain energy and can move into vacant states above the Fermi level. In an...

fermi level dynamics

Vacuum Level and Schottky Barriers

Vacuum level and Schottky barriers help explain how electrons move between materials. The vacuum level is the energy needed for an electron to escape a material surface. In a semiconductor, it usually sits above the conduction band and serves as a reference for comparing electron energy. Electron affinity is the energy gap between the conduction band minimum and the vacuum level. It shows how easily a semiconductor can accept extra electrons. The work function is the least energy needed to...

key terms and concepts

Learn how semiconductors create electron-hole pairs, lose carriers through recombination, and return to equilibrium after light or electric field changes.

Semiconductor Charge Carriers: Creation and Loss | JoVE K12

JoVE Core Electrical Engineering offers easy-to-understand animated videos that cover fundamental concepts of electric circuits along with circuit analysis techniques. It incorporates first-order and second-order circuits using operational amplifiers and circuit transformation concepts. The inclusion of practical design examples and real-world applications through scientist-in-action videos adds significant educational value, making complex concepts accessible.

electrical engineering

Semiconductor Charge Carriers: Creation and Loss

Description

Transcript