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

Taşıyıcı üretimi, elektron deliği çiftlerinin oluşturulmasını ifade eder.
Banttan banda üretim, termal uyarma veya foton absorpsiyonu yoluyla doğrudan bant aralıklı yarı iletkenlerde gerçekleşir. Bu tür yarı iletkenlerde, maksimum değerlik bandı ve minimum iletim bandı aynı momentuma sahiptir.
Taşıyıcıların dolaylı üretimi, fononlardan kafes enerjisinin emilmesiyle gerçekleşir ve farklı momentlerde değerlik bandı maksimum ve iletim bandı minimum olan dolaylı bant aralıklı yarı iletkenlerde baskındır.
Burgu üretiminde, taşıyıcılar yüksek enerjili bir parçacığın enerjisi tüketilerek üretilir. Bu aynı yüksek enerjili parçacıklar, darbe iyonizasyonu sırasında mevcut yüksek elektrik alanını kullanarak birden fazla elektron deliği çifti oluşturabilir.
Buna karşılık, Rekombinasyon, elektronların ve deliklerin yok edilmesi işlemidir.
Banttan banda rekombinasyonda, elektron iletimden değerlik bandına geçerek bir foton açığa çıkarır.
Dolaylı rekombinasyon sırasında, iletim ve değerlik bantları arasındaki geçişler için tuzak adı verilen lokalize enerji durumları kullanılır ve enerjiyi ısı olarak serbest bırakır.
Burgu rekombinasyonu, bir elektronun ve bir deliğin rekombinasyonunu içerir ve elde edilen enerjiyi başka bir taşıyıcıya aktarır.

yarı İletkenlerin temelleri

Carrier Generation and Recombination

Taşıyıcı üretimi, yarı iletken içinde elektron-delik çiftlerinin oluşturulduğu süreçtir. Galyum arsenit (GaAs) gibi doğrudan bant aralıklı yarı iletkenlerde bu, enerji emilimi değerlik elektronlarının iletim bandına sıçramasına ve geride delikler bırakmasına neden olduğunda verimli bir şekilde gerçekleşir.

Bu süreç G üretim hızı ile verilir ve değerlik bandı maksimumu ile iletim bandı minimumu arasındaki momentumun korunması nedeniyle etkilidir.

Dolaylı üretim bir ara adımı içerir ve silikon (Si) gibi dolaylı bant aralıklı yarı iletkenlerde tipiktir. Dolaylı bant aralıklı yarı iletkenler, fononlardan ek momentum gerektirir, bu da taşıyıcı üretimini daha az verimli hale getirir. Burgu üretimi ve darbeli iyonizasyon, güçlü elektrik alanları gibi yüksek enerjili ortamlarda birden fazla elektron-delik çifti üretir.

Rekombinasyon, serbest yük taşıyıcılarının sayısını azaltan işlemdir. Doğrudan banttan banda rekombinasyon, elektronların ve deliklerin ara durumlar olmadan doğrudan yeniden birleştiği Galyum Arsenit gibi yarı iletkenlerde meydana gelir.

Elektronların çoğunluk taşıyıcıları olduğu n tipi bir yarı iletken için rekombinasyon oranı şu şekilde verilir:

<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/15154/15154_Equation_1.svg" style="height: 20px;">

Burada B rekombinasyon katsayısıdır ve n ve p sırasıyla elektron ve deliklerin konsantrasyonlarıdır. Dolaylı rekombinasyon tuzakları içerir: bant aralığı içindeki lokalize enerji durumları. Taşıyıcılar geçici olarak bu durumlar tarafından yakalanır ve daha sonra yeniden birleşerek enerjiyi ısı olarak açığa çıkarırlar; bu, ışınımsız bir süreçtir.

Üretim ve rekombinasyon arasındaki denge şu şekilde tanımlanır:

<img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/15154/15154_Equation_2.svg" style="height: 20px;">

Denge dışı koşullarda, fazla miktardaki taşıyıcılar, dengeyi yeniden sağlamaya yönelik bir net rekombinasyon hızına (U) neden olur. Azınlık taşıyıcı konsantrasyonunun (Δp) çoğunluk taşıyıcı konsantrasyonundan önemli ölçüde düşük olduğu düşük seviyeli enjeksiyonda oran şöyledir:

<img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/15154/15154_Equation_3.svg" style="height: 18px;">

Taşıyıcı üretimi ve rekombinasyon oranları termal dengede dengelenir. Ancak ışık veya elektrik alanları gibi dış kuvvetler bu dengeyi bozduğunda yarı iletken dengesizlik durumuna girer. Dengeye dönmenin dinamikleri, bu oluşum ve rekombinasyon mekanizmaları arasındaki karmaşık etkileşimleri içerir.

Yarı İletkenlerin Temelleri

Taşıyıcı üretimi, elektron deliği çiftlerinin oluşturulmasını ifade eder.
Banttan banda üretim, termal uyarma yoluyla doğrudan bant aralıklı yarı iletkenlerde gerçekleşir ...

Education

JoVE Core

Electrical Engineering

Elektrik Mühendisliği

Unit 1

Ünite 1

Basics of Semiconductors

KEY TERMS AND CONCEPTS

TEMEL TERİMLER VE KAVRAMLAR

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 Elektrik Mühendisliği, devre analizi teknikleriyle birlikte elektrik devrelerinin temel kavramlarını kapsayan, anlaşılması kolay animasyonlu videolar sunar. Operasyonel amplifikatörler ve devre dönüşümü kavramlarını kullanarak birinci dereceden ve ikinci dereceden devreleri içerir. Pratik tasarım örneklerinin ve gerçek dünya uygulamalarının bilim insanlarınca hazırlanan videolar aracılığıyla dahil edilmesi, karmaşık kavramları erişilebilir hale getirerek önemli bir eğitim değeri katmaktadır.

electrical engineering

Semiconductor Charge Carriers: Creation and Loss

Description

Transcript

Tags