半导体中载流子复合的类型

2018-03-29张甲甲李园园

山东化工 2018年23期

张甲甲，李园园，钟煜，杨雷

(皖西学院材料与化工学院，安徽六安 237012)

载流子的复合是半导体中一个常见的物理现象，对太阳能电池的转化效率有着显著的影响［1－4］。复合有很多类型，可以根据载流子复合时有无向外界辐射光子将复合划分为辐射复合和非辐射复合，而根据复合发生的机制又可划分为直接复合、间接复合(也称 SRH 复合)［5－6］和俄歇复合［7］。此外，还可以根据复合发生的区域来定义复合类型，如表面复合、晶界复合等。这些复合类型既有区别也有联系，如果对相关概念把握不清就容易产生混淆，例如把间接复合等同于非辐射复合、认为深能级掺杂一定会引起非辐射复合等。据笔者调研，这些错误不仅发生在一些教师的授课中，也出现在维基百科这样的大众化科普网站中，甚至在一些国际著名期刊上也能发现类似的错误。因此，有必要深入阐述不同复合类型的特点和物理机制，以帮助教师和学生更好的理解这部分内容。

半导体中位于价带的电子受到光激发或热激发时可以跃迁到导带，同时在原来的位置留下一个空穴，从而形成了电子－空穴对。由于这些电子和空穴在电场作用下可以定向移动，所以也称为载流子。位于导带的电子实际上处于一种高能量的亚稳态，它有自发回归到价带从而降低能量的倾向，如果电子跃迁回价带，它将填补空穴，导致电子－空穴对的消失，这个过程就是复合。

1 辐射复合

导带中的电子直接跃迁回价带，并释放一个光子或多个声子，这个过程称为直接复合。如果只辐射光子，那么这种直接复合也是一种辐射复合。需要注意，尽管激发时电子吸收的能量高于半导体的带隙值，但由于电子－声子耦合效应，导带中的电子和价带中的空穴会分别驰豫到导带低和价带顶，所以复合时释放的光子能量约等于带隙值，而半导体对于这些光子吸收率很低，因此光子可以辐射到材料外部。辐射复合在生活中有很多应用，比如发光二极管(LED)和半导体激光器就是利用辐射复合的原理来发光的。在光伏领域，辐射复合是直接带隙半导体(CdTe、CIGS、GaAs等)中的主要复合机制，但对于硅基太阳能电池，由于硅是间接带隙半导体，辐射复合很弱，几乎可以忽略。

2 间接复合

杂质或缺陷可以在半导体的带隙中产生陷阱态，如果导带的电子通过陷阱态与价带的空穴复合，就称该过程为间接复合。间接复合是一个两步过程，首先导带的电子被陷阱态捕获，然后价带的空穴也跃迁到陷阱态，这样电子和空穴就可以在陷阱态中发生复合。上述两个过程都可以辐射光子，只是光子的能量要小于带隙值，对于窄带隙半导体，间接复合辐射的光是红外光而不是可见光。间接复合的强弱取决于陷阱态与导带低和价带顶的距离，如果陷阱态位于带隙的中央(深能级)，间接复合速率较高。相反，如果陷阱态靠近带边(浅能级)，比如位于导带底，那么被陷阱态捕获的电子容易受到热激发或光激发重新跃迁到导带中去，从而无法与陷阱态中的空穴复合，此时间接复合速率较低。间接复合机制是三位学者Shockley、Read和Hall共同提出的，所以间接复合也称为SRH复合。

3 俄歇复合

对于俄歇复合，导带的电子跃迁到价带与空穴复合，但是将能量传递给另一个电子并将其推向更高的能级，然后这个电子再通过电子－声子耦合将能量以热的形式耗散出去。由于俄歇复合时没有向外界辐射光子，因此俄歇复合是一种非辐射复合。此外，俄歇复合需要三个载流子参与，它的强弱程度和载流子浓度密切相关，如果掺杂浓度高，载流子浓度大，俄歇复合就会比较显著。在硅基太阳能电池中，俄歇复合是主要的复合机制，它对载流子寿命和光伏转化效率有着很大的影响。

4 表面复合

在晶体的表面原子错排严重，并且有大量悬挂键的存在，所以表面也是载流子复合较多的区域。表面复合将会消耗该区域的少数载流子，这会在表面和内部形成少数载流子浓度梯度，导致少数载流子从内部往表面扩散，因此表面复合会受到这种扩散速率的影响。在太阳能电池生产工艺中，常会在半导体表面生长一层特殊材料用于减少悬挂键，从而降低表面复合的发生，这种工艺称为表面钝化。