Recombinare (fizică)

În fizică, recombinarea este neutralizant unirea pozitive și negative electric purtătorilor de sarcină ( ioni , electroni ). Recombinarea este procesul invers la ionizare și generare .

Ionizarea necesită furnizarea de energie , care are loc în primul rând prin temperaturi ridicate , cuante de lumină sau ionizare prin impact de către alte particule. Pentru ca particulele încărcate care se întâlnesc să se recombine, această energie trebuie eliberată din nou. Acest lucru poate avea loc prin emisia de fotoni ( luminiscență , de exemplu cu fulgere , electrometeori sau diode emițătoare de lumină ), prin transfer de energie către alte particule, prin disociere în particule neutre sau sub formă de vibrații de rețea ( fononi acustici ).

Recombinarea în faza gazoasă

Un gaz ionizat este o plasmă . Exemple sunt descărcările de gaze și ionosfera .

Dacă presiunea și gradul de ionizare sunt suficiente , recombinarea cu trei impacturi este dominantă, în care un ion pozitiv se ciocnește cu doi electroni în același timp. Ionul se recombină cu primul electron care formează un atom neutru . Energia de legare care este eliberată este „transportată” de al doilea electron (similar cu radiația de căldură dintr-o coliziune inelastică ). Al doilea electron își mărește energia în timpul acestui proces. Alternativ, un alt atom sau moleculă poate absorbi energia de legare. Datorită intervalului mai redus de interacțiune cu particulele neutre, acest proces este competitiv doar cu un grad scăzut de ionizare. ${\ displaystyle X ^ {(+)} \,}$${\ displaystyle e ^ {(-)} \,}$

Dacă presiunea gazului neutru este, de asemenea, scăzută, un perete sau o suprafață a particulelor poate acționa ca un catalizator ( recombinarea peretelui ). Nu numai că absoarbe energia de legare, dar crește și probabilitatea unei întâlniri dacă electronii sau ionii rămân la suprafață ( adsorbat ). Recombinarea pereților este deosebit de eficientă în cazul pereților conductori electric.

În ionosferă presiunea este scăzută și nu există perete în apropiere. Există două tipuri de recombinare acolo:

Recombinarea disociativă

Un electron se combină cu un ion molecular pentru a forma doi atomi neutri.

${\ displaystyle e ^ {(-)} + XY ^ {(+)} \ longrightarrow X + Y}$

Poate avea loc numai în cazul în care ionii moleculari apar direct sau prin schimbul de ioni-atomi, care necesită molecule neutre.

Schimb ion-atom + recombinare de separare

În primul rând, are loc o reacție de schimb ion-atom, al cărei rezultat - un ion molecular - se separă și se recombină.

${\ displaystyle X ^ {(+)} + Y_ {2} \ longrightarrow XY ^ {(+)} + Y}$

${\ displaystyle e ^ {(-)} + XY ^ {(+)} \ longrightarrow X + Y}$

Recombinarea radiațiilor

${\ displaystyle e ^ {(-)} + X ^ {(+)} \ longrightarrow X + h \ nu \,}$( este un foton)${\ displaystyle h \ nu \,}$

pe de altă parte, este un proces foarte lent și poate fi ignorat în ionosferă pentru echilibrare. Formele mai energetice pot fi văzute ca o tranziție la radiația secundară . Aurora nu este o radiație de recombinare, se bazează pe excitația șocului, nu pe ionizarea șocului.

recombinare dielectrică

În recombinarea dielectrică , un electron este captat de un ion încărcat pozitiv. Un alt electron al ionului este excitat.

Recombinarea în semiconductor

În semiconductori , se vorbește despre recombinare când un electron excitat în banda de conducere se relaxează din nou, adică atunci când eliberează un foton sau fonon, acesta „cade înapoi” în banda de valență . Se vorbește despre recombinare radiantă sau fără radiații. În diodele cu emisie de lumină, unii dintre purtătorii de sarcină se recombină pentru a emite radiații. Pe de altă parte, în componentele semiconductoare din siliciu (cu un interval de bandă indirect ), are loc aproape exclusiv recombinarea fără radiații.

Procesul opus recombinării este generarea , în care un electron și o gaură sunt create prin ionizare . Energia de ionizare provine în mare parte din fotoni sau fononi. Rata de recombinare și generare sunt aceleași în echilibrul termodinamic .

Cu recombinarea, se ia adesea o abordare simplă a ratei de recombinare, adică numărul de recombinații pe timp (și volum).

Următorul se aplică electronilor:

${\ displaystyle r_ {n} = {\ frac {n-n_ {0}} {\ tau _ {n}}}}$,

Același lucru se aplică defectului de electroni:

${\ displaystyle r_ {p} = {\ frac {p-p_ {0}} {\ tau _ {p}}}}$.

${\ displaystyle n}$sau denotă aici concentrațiile purtătorilor de sarcină (electroni sau defect electroni), sau la concentrațiile de echilibru și sau efective duratele de viață ale purtătorilor de sarcină. Rata de recombinare crește în mod clar atunci când concentrația purtătorului de încărcare este peste concentrația de echilibru. ${\ displaystyle p}$${\ displaystyle n_ {0}}$${\ displaystyle p_ {0}}$${\ displaystyle \ tau _ {n}}$${\ displaystyle \ tau _ {p}}$

Mai precis, există multe efecte diferite care joacă un rol în procesul de recombinare.

Fotonii sau fononii, a căror energie este mai mare decât decalajul de energie din semiconductor, își pot renunța la electronii de valență și astfel pot crea perechi electron-gaură în semiconductor. Acești purtători de încărcare (electroni și găuri) trec prin radiații și / sau vibrații de rețea (fononi) înapoi în direcția marginii benzii , deoarece energia lor este minimizată acolo. Acest efect limitează semnificativ eficiența celulelor solare , dar poate fi redus prin utilizarea celulelor solare tandem . ${\ displaystyle (E = h \ cdot \ nu)}$${\ displaystyle E_ {g}}$

O recombinare a acestor electroni și găuri poate fi fie radiantă, fie neradiantă. Dacă se recombină, acest efect se numește luminescență. Este crucial ca un semiconductor direct să fie necesar pentru recombinarea radiativă observabilă , în care nu există nicio diferență de impuls între minimele de bandă din banda de conducere și maxime de bandă în banda de valență.

Există trei tipuri cunoscute de recombinare: radiantă, Shockley-Read-Hall și recombinarea Auger.

Recombinare radiantă

Aici un electron se recombină radiant cu o gaură. Fotonul rezultat are energia care este cel puțin la fel de mare ca energia spațiului de bandă. Densitatea purtătorului de încărcare cu un factor de recombinare constantă dependentă de material este de obicei utilizată ca formulă pentru recombinarea radiativă . Cu densitatea purtătorului de încărcare și densitatea purtătorului de sarcină intrinsecă se citește : ${\ displaystyle E = h \ cdot \ nu}$${\ displaystyle C _ {\ mathrm {dir}}}$ ${\ displaystyle n, p}$ ${\ displaystyle n_ {i}}$

${\ displaystyle R _ {\ mathrm {dir}} = C _ {\ mathrm {dir}} \ cdot (np-n_ {i} ^ {2})}$

Recombinarea Shockley-Read-Hall

În acest mecanism de recombinare, electronul sare mai întâi la un nivel de recombinare care se află aproximativ în mijlocul spațiului de bandă și apoi se recombină cu un alt salt cu o gaură. Energia este eliberată sub formă de vibrații de rețea . Nivelurile de energie din decalajul benzii provin din defecte ale rețelei cristaline , cum ar fi atomii de dopaj . Deoarece recombinarea peste un nivel de bandă necesită mai puțină energie, este de obicei mai probabilă decât recombinarea directă. Atomii cu defecte sunt astfel centre de recombinare sau capcane (anglia sau capcane capcane ) pentru purtători de încărcare gratuită. Recombinarea SRH este, prin urmare, o recombinare neradiativă. Poate fi setat cu durata de viață a suportului de încărcare și : ${\ displaystyle \ tau _ {n}}$${\ displaystyle \ tau _ {p}}$

${\ displaystyle R _ {\ mathrm {SRH}} = {\ frac {np-n_ {i} ^ {2}} {\ tau _ {p} \ cdot (n + n _ {\ mathrm {d}}) + \ tau _ {n} \ cdot (p + p _ {\ mathrm {d}})}}}$

Mărimile și sunt definite după cum urmează ( energia defectului de recombinare , nivelul intrinsec Fermi , temperatura , constanta Boltzmann ): ${\ displaystyle n_ {d}}$${\ displaystyle p_ {d}}$ ${\ displaystyle E_ {T}}$ ${\ displaystyle E '_ {i}}$${\ displaystyle T}$ ${\ displaystyle k_ {B}}$

${\ displaystyle n _ {\ mathrm {d}} = n_ {i} \ cdot \ exp \ left ({\ frac {E _ {\ mathrm {T}} -E _ {\ mathrm {i}}} {k _ {\ mathrm {B}} \ cdot T}} \ right)}$

${\ displaystyle p _ {\ mathrm {d}} = n_ {i} \ cdot \ exp \ left ({\ frac {E _ {\ mathrm {i}} -E _ {\ mathrm {T}}} {k _ {\ mathrm {B}} \ cdot T}} \ right)}$

Recombinarea melcului

Recombinarea melcului este, de asemenea, o recombinare non-radiativă. Un electron de bandă de conducere își eliberează energia sărind într-o gaură din banda de valență, dar această energie este complet absorbită de un alt electron de bandă de conducere. Acest electron fie se relaxează din nou până la banda minimă de conducție, adică își eliberează din nou energia sub formă de oscilații de rețea pentru a-și minimiza energia, fie părăsește cristalul când este aproape de suprafață (vezi Spectroscopia electronică Auger ).

Recombinarea la suprafață

Aceasta este o recombinare prin stări nelegate (și: nesaturate) de pe suprafața semiconductorului. Pe de o parte, aceste stări nelegate ( legături suspendate ) provoacă stări suplimentare în intervalul de bandă prin care electronii și găurile se pot recombina. Pe de altă parte, atomii străini (murdărie, umezeală etc.) pot adera la acesta. Procesul de recombinare prin stări nelegate este de obicei dăunător componentelor și le reduce durata de viață. În plus, stările de la suprafață nu mai sunt bine definite, ceea ce reduce predictibilitatea unei componente semiconductoare. Cu toate acestea, datorită utilizării sale tehnice vizate, acest efect devine din ce în ce mai important.

Pentru calcul poate fi o aproximare a utilizării recombinării SRH, și nu aici pe un punct discret fixat ( capcana este recombinată), ci printr-un întreg spectru de centre de recombinare în zona interzisă emergentă la suprafață.

Rata de recombinare a suprafeței este determinată după cum urmează:

${\ displaystyle R_ {0} = \ int _ {- W _ {\ text {g}} / 2} ^ {- W _ {\ text {g}} / 2} {\ frac {N _ {\ text { ss}} (W _ {\ text {t}}) \ sigma _ {\ text {r}} v _ {\ text {th}} (pn-n_ {i} ^ {2})} {n + p + 2n _ {\ text {i}} \ cosh \ left ({\ frac {W _ {\ text {t}}} {kT}} \ right)}} \ mathrm {d} W _ {\ text {t }}}$

${\ displaystyle \ sigma _ {\ text {r}}}$: Secțiune transversală pentru recombinare

${\ displaystyle N _ {\ text {ss}} (0)}$: Densitatea stării suprafeței în mijlocul zonei interzise

Există numeroase procese tehnice pentru pasivare , adică pentru saturarea condițiilor de suprafață nelegate.

Surse și note de subsol

1. ^ Profilul concentrației electronilor. În: Fizică ionosferică. Universitatea din Leicester, accesat la 8 ianuarie 2013 .