半導體中載流子復合的類型

張甲甲，李園園，鐘 煜，楊 雷

(皖西學院材料與化工學院，安徽六安 237012)

載流子的復合是半導體中一個常見的物理現(xiàn)象，對太陽能電池的轉(zhuǎn)化效率有著顯著的影響［1－4］。復合有很多類型，可以根據(jù)載流子復合時有無向外界輻射光子將復合劃分為輻射復合和非輻射復合，而根據(jù)復合發(fā)生的機制又可劃分為直接復合、間接復合(也稱 SRH 復合)［5－6］和俄歇復合［7］。此外，還可以根據(jù)復合發(fā)生的區(qū)域來定義復合類型，如表面復合、晶界復合等。這些復合類型既有區(qū)別也有聯(lián)系，如果對相關概念把握不清就容易產(chǎn)生混淆，例如把間接復合等同于非輻射復合、認為深能級摻雜一定會引起非輻射復合等。據(jù)筆者調(diào)研，這些錯誤不僅發(fā)生在一些教師的授課中，也出現(xiàn)在維基百科這樣的大眾化科普網(wǎng)站中，甚至在一些國際著名期刊上也能發(fā)現(xiàn)類似的錯誤。因此，有必要深入闡述不同復合類型的特點和物理機制，以幫助教師和學生更好的理解這部分內(nèi)容。

半導體中位于價帶的電子受到光激發(fā)或熱激發(fā)時可以躍遷到導帶，同時在原來的位置留下一個空穴，從而形成了電子－空穴對。由于這些電子和空穴在電場作用下可以定向移動，所以也稱為載流子。位于導帶的電子實際上處于一種高能量的亞穩(wěn)態(tài)，它有自發(fā)回歸到價帶從而降低能量的傾向，如果電子躍遷回價帶，它將填補空穴，導致電子－空穴對的消失，這個過程就是復合。

1 輻射復合

導帶中的電子直接躍遷回價帶，并釋放一個光子或多個聲子，這個過程稱為直接復合。如果只輻射光子，那么這種直接復合也是一種輻射復合。需要注意，盡管激發(fā)時電子吸收的能量高于半導體的帶隙值，但由于電子－聲子耦合效應，導帶中的電子和價帶中的空穴會分別馳豫到導帶低和價帶頂，所以復合時釋放的光子能量約等于帶隙值，而半導體對于這些光子吸收率很低，因此光子可以輻射到材料外部。輻射復合在生活中有很多應用，比如發(fā)光二極管(LED)和半導體激光器就是利用輻射復合的原理來發(fā)光的。在光伏領域，輻射復合是直接帶隙半導體(CdTe、CIGS、GaAs等)中的主要復合機制，但對于硅基太陽能電池，由于硅是間接帶隙半導體，輻射復合很弱，幾乎可以忽略。

2 間接復合

雜質(zhì)或缺陷可以在半導體的帶隙中產(chǎn)生陷阱態(tài)，如果導帶的電子通過陷阱態(tài)與價帶的空穴復合，就稱該過程為間接復合。間接復合是一個兩步過程，首先導帶的電子被陷阱態(tài)捕獲，然后價帶的空穴也躍遷到陷阱態(tài)，這樣電子和空穴就可以在陷阱態(tài)中發(fā)生復合。上述兩個過程都可以輻射光子，只是光子的能量要小于帶隙值，對于窄帶隙半導體，間接復合輻射的光是紅外光而不是可見光。間接復合的強弱取決于陷阱態(tài)與導帶低和價帶頂?shù)木嚯x，如果陷阱態(tài)位于帶隙的中央(深能級)，間接復合速率較高。相反，如果陷阱態(tài)靠近帶邊(淺能級)，比如位于導帶底，那么被陷阱態(tài)捕獲的電子容易受到熱激發(fā)或光激發(fā)重新躍遷到導帶中去，從而無法與陷阱態(tài)中的空穴復合，此時間接復合速率較低。間接復合機制是三位學者Shockley、Read和Hall共同提出的，所以間接復合也稱為SRH復合。

3 俄歇復合

對于俄歇復合，導帶的電子躍遷到價帶與空穴復合，但是將能量傳遞給另一個電子并將其推向更高的能級，然后這個電子再通過電子－聲子耦合將能量以熱的形式耗散出去。由于俄歇復合時沒有向外界輻射光子，因此俄歇復合是一種非輻射復合。此外，俄歇復合需要三個載流子參與，它的強弱程度和載流子濃度密切相關，如果摻雜濃度高，載流子濃度大，俄歇復合就會比較顯著。在硅基太陽能電池中，俄歇復合是主要的復合機制，它對載流子壽命和光伏轉(zhuǎn)化效率有著很大的影響。

4 表面復合

在晶體的表面原子錯排嚴重，并且有大量懸掛鍵的存在，所以表面也是載流子復合較多的區(qū)域。表面復合將會消耗該區(qū)域的少數(shù)載流子，這會在表面和內(nèi)部形成少數(shù)載流子濃度梯度，導致少數(shù)載流子從內(nèi)部往表面擴散，因此表面復合會受到這種擴散速率的影響。在太陽能電池生產(chǎn)工藝中，常會在半導體表面生長一層特殊材料用于減少懸掛鍵，從而降低表面復合的發(fā)生，這種工藝稱為表面鈍化。

5 討論

根據(jù)上述介紹可知，間接復合時可以向外界輻射光子，因此間接復合不能等同于非輻射復合。另外，雜質(zhì)或缺陷產(chǎn)生的深能級會促進間接復合，但只要摻雜濃度不高，載流子濃度不大，俄歇復合就比較弱，所以深能級和非輻射復合沒有必然的聯(lián)系。

6 結(jié)語

在本文中，筆者首先介紹了載流子復合的驅(qū)動力，然后詳細闡述了幾種復合類型的特點和物理機制，最后對它們區(qū)別和聯(lián)系作了討論。