İletkenlik bandındaki herhangi bir elektron bir meta-kararlı durumdadır ve eninde sonunda değerlik bandındaki daha düşük enerjili bir konuma geçerek kararlı olacaktır. Bunun için elektron boş bir değerlik band durumuna hareket etmelidir. Böylece, elektron değerlik bandına geri dönerek kararlı olduğunda, bir deşik yani bir boşluğu kaldırmış olur. İşte bu sürece birleşme, rekombinasyon adı verilir. Tek kristal bir yarıiletkende üç tür rekombinasyon vardır:
- Işımalı rekombinasyon
- Auger rekombinasyonu
- Shockley-Read-Hall rekombinasyonu
Işımalı rekombinasyon: Banttan banda rekombinasyon olarak da ifade edilen bu tür rekombinasyon direk band aralıklı yarıiletkenlerde baskın olan bir mekanizma türüdür. Bir ışık yayan diyottan (LED) üretilen ışık aslında bir yarıiletken aygıttaki ışımalı rekombinasyona örnektir. GaAs’ten yapılmış güneş hücrelerinde de ışımalı rekombinasyon olayı baskındır. Silikondan yapılmış bazı güneş hücrelerinde ise ışımalı rekombinasyonun oldukça düşük oranda gerçekleştiği biliniyor ve hatta ihmal ediliyor. Silikon malzemesinin direkt olmayan band aralıklı bir yarıiletken malzeme olması elbette bunda etkilidir. Işımalı rekombinasyonun özelliklerini şöyle özetleyebiliriz: Işımalı rekombinasyonda, iletkenlik bandından bir elektron değerlik bandından bir deşikle doğrudan birleşir ve bir foton yayınlanır. Yayınlanan fotonun enerjisi yarıiletkenin yasak band aralığı ile belirlenir.
Auger rekombinasyonu: Auger rekombinasyonu üç taşıyıcıdan oluşur. Bir elektron ve bir deşik birleşir ama ısı ya da foton olarak enerji yaymazlar. İletkenlik bandındaki bir elektrona yani üçüncü bir yük taşıyıcısına enerji verirler. Bu elektron sonra termal olarak iletkenlik band kenarına geri gelir.
Auger rekombinasyonu ağır katkılamadan dolayı veya yoğun güneş ışığı altında yüksek seviyede enjeksiyondan dolayı yüksek taşıyıcı yoğunluklarında oldukça önemli bir rekombinasyon olayıdır. Silikondan yapılı güneş hücrelerinde Auger rekombinasyonunu, rekombinasyon süresi ve en yüksek verimlilik sınırlar. Malzeme daha fazla katkılandıkça Auger rekombinasyon süresi kısalır.
Shockley-Read-Hall rekombinasyonu: Kusurlar aracılığıyla oluşan rekombinasyon türüne Shockley-Read-Hall rekombinasyonu adı verilir.Bu tür bir rekombinasyon olayı iki adımlı bir süreçtir:
- Bir elektron yasak band aralığında kusurlar tarafından oluşturulan bir enerji seviyesi tarafından tuzaklanır. Bu kusurlar malzemeye istenmeyen bir şekilde ya da bir katkı atomu yoluyla eklenir.
- Eğer bir deşik, elektron iletkenlik bandına termal olarak geri dönmeden önce aynı tuzak seviyesine ulaşırsa rekombinasyon oluşur.
Bu yazıda yarıiletken aygıtların/cihazların çalışma performansını etkileyen mekanizmalardan biri olan rekombinasyonu tanımladık. Ayrıca bu rekominasyon mekanizmasının farklı türlerinin oluş şekilllerini açıkladık. Daha fazla bilgiye kaynaklar kısmından ulaşabilirsiniz.
Gökhan Atmaca, MSc. twitter.com/kuarkatmaca
Kaynaklar:
- http://www.pveducation.org/pvcdrom/pn-junction/types-of-recombination
- http://ecee.colorado.edu/~bart/book/book/chapter2/ch2_8.htm
