Кроме теплового возбуждения электронов, что приводит к появлению равновесных свободных носителей заряда
, возможны и другие способы и формы передачи энергии электронам твердого тела. Свободные носители заряда, которые возникают не за счет тепловой энергии, называются неравновесными.
Они могут генерироваться за счет освещения кристалла, под действием потока заряженных частиц, при протекании химической реакции на поверхности кристалла, в процессе ввода свободных зарядов через контакт (инжекция) и т.д. Такие носители заряда называются неравновесными, потому что они не находятся в тепловом равновесии с кристаллической решеткой. В отличие от равновесных неравновесные носители могут распределяться по кристаллу неравномерно, вследствие чего возникает градиент их концентрации, а следовательно и диффузия. Это приводит к ряду специфических явлений, которые наблюдаются в полупроводниках и называются неравновесными явлениями.
К ним относятся, например, фотопроводимость, люминесценция, Фотомагнитные эффекты и т.д. Несмотря на особенность генерации неравновесных носителей заряда свойства (подвижность, эффективная масса) за довольно короткий промежуток времени после генерации (~ 10-10с) за счет рассеяния становятся тами же, как и равновесных. На зонной диаграмме (рис.6.1) процессы генерации изображены переходами 1-4. Но по мере роста концентрации свободных носителей заряда возрастает вероятность обратных переходов 1 '- 4', которые приводят к гибели свободных носителей заряда. Этот процесс называется рекомбинацией. При неизменной мощности внешнего воздействия через некоторое время наступает стационарное состояние, когда скорость генерации g равна скорости рекомбинации R и устанавливается определенная стационарная концентрация свободных носителей заряда
n = no + Dn; p = po + Dp, (6.1) где n, p - общие концентрации электронов и дырок соответственно; no, po - равновесные концентрации электронов и дырок; ?n, ?p - дополнительные концентрации, т.е. концентрации неравновесных носителей заряда.
Каждый неравновесный носитель заряда существует "живет" в кристалле ограниченное время до рекомбинации. Среднее значение этого времени называется временем жизни электронов ?n и дырок ?р. Процесс генерации характеризуется скоростью генерации g. Это количество неравновесных носителей, возникающих в единице объема за единицу времени, т.е. скорость роста концентрации.
Аналогично процесс рекомбинации характеризуется скоростью рекомбинации R. Это количество неравновесных носителей, которые исчезают в единице объема за единицу времени, т.е. скорость уменьшения концентрации неравновесных электронов дыр. Учитывая, что no и po при неизменной температуре со временем не меняются, получаем при небольшом уровне возбуждения, т.е. когда ?n << no и ?p << po, Таким образом, для генерации носителей заряда необходимо затратить энергию: при фундаментальных переходах 1,3 ( рис.6.1) не меньше, чем ширина запрещенной зоны ?Еg, при возбуждении примеси (переходы 2,4) не меньше, чем энергия активации примесных атомов ЕD, EA. При рекомбинации энергия выделяется. Отдача энергии может осуществляться в виде кванта электромагнитного излучения (люминесценция), или без излучения в виде фононов. В последнем случае кристалл нагревается.