3-2 과도상태와 재결합

목표

1. 직접, 간접재결합의 정의와 메커니즘 파악

2. 감쇄상수의 정의

3. 재결합중심과 포획중심의 정의, 재결합 중심의 활용

4. 광전도 감쇄실험을 통해 관찰할 수 있는 것

 

1. 과도상태에서의 직접재결합

1.1 과도상태에서의 직접재결합

 과도상태 : 빛에 의해 여기된 전자가 전도대로 이동한 상태 

 직접재결합 : 여기된 전자가 불순물 준위를 거치지 않고 전도대에서 가전자대로 전자천이, 형광, 반딧불이 형

 간접재결합 : 재결합 과정에서 불순물준위를 거침, 인광, 도깨비불 린

 

1.2 과잉캐리어의 농도 변화  

조건 : 직접재결합확률이 일정하다고 가정, 저준위 주입 조건

저준위 주입 조건 
과잉캐리어의 농도가 평형상태에서 다수캐리어농도(Po or no)보다 낮고 소수캐리어(Po or no)보다 높은 경우

 

과잉캐리어의 농도 δn(t) = Δn*e^(-n/τ)

 

1.3 과잉캐리어의 수명

τ는 감쇄상수라고 하며 과잉캐리어의 농도가 초기 값의 0.37이 되는 시가을 의미한며 반도체가 외인성, 진성인지 여부에 따라 값이 달라진다.

τ = 1/{α*(Po+no)}

p형 반도체일 경우 τ = 1/(α*Po), 진성 반도체일 경우 τ = 1/(α*2*ni)

 

1.4 간접재결합과 불순물준위 활용

간접재결합 : 여기된 전자가 불순물준위를 거쳐 재결합이뤄지는 것

포획시간이 길수록 정공과 전자의 거리가 가까운 상태를 오래 유지하기 때문에 재결합확률이 올라간다. 따라서 불순물을 적절히 활용하여 불순물준위에 전자가 포획되도록하면 재결합을 증가시킬 수 있다.

 

1.5 과잉캐리어와 광전도 관계

전도도 σ(t) = nqu

광전도도 σ(t) = q[n(t)μ + p(t)μ]

전압 V(t) = IR = I*ρl/s = I*l/(s*σ), 따라서 광전도도가 감소함에 따라 전압은 증가

 

핵심정리

1. 직접재결합은 자연발광 과정을 통해 빛을 발출하며, 과잉캐리어는 δn(t) = Δn*e^(-n/τ) 와 같이 지수함수적으로 감쇄한다.

2. 광 펄스 인가로 인해 생성된 과잉캐리어는 과도상태에 도달했다가 재결합을 통해 과잉캐리어가 소멸되면 열적평형상태로 되돌아간다.

3. 감쇄상수는 소수캐리어 수명이라고도 하며, 과잉캐리어의 초기 농도값이 0.37배가 되는 시간을 의미한다.

4. 전파상수의 변화를 동반하는 간접재결합은 광자보다는 열에너지를 방출한다. 

5. 불순물과 격자결함은 포획중심과 재결합중심의 역할을 하는데, 재결합 중심은 반도체 에너지 밴드의 중앙 부근에 에너지 준위를 갖는다.

6. 재결합을 높이기 위해 밴드 중앙에 준위를 가질 수 잇는 불순물을 주입 할 수 있다.

7. 광전도 감쇄실험을 통해 광도상태 재결합에 대한 특성(시간에 따른 광전도 감소)을 관찰할 수 있다.