Срок службы носителя - Carrier lifetime

Согласно определению в физике полупроводников , время жизни носителя определяется как среднее время, необходимое неосновному носителю для рекомбинации . Процесс, посредством которого это делается, обычно известен как рекомбинация неосновных носителей заряда .

Энергия, высвобождаемая в результате рекомбинации, может быть либо тепловой, тем самым нагревая полупроводник ( тепловая рекомбинация или безызлучательная рекомбинация , один из источников отходящего тепла в полупроводниках ), либо выделяться в виде фотонов ( оптическая рекомбинация , используется в светодиодах и полупроводниковых лазерах. ). Срок службы носителя может значительно варьироваться в зависимости от материалов и конструкции полупроводника.

Время жизни носителя играет важную роль в биполярных транзисторах и солнечных элементах .

В полупроводниках с непрямой запрещенной зоной время жизни носителей сильно зависит от концентрации центров рекомбинации. Атомы золота действуют как высокоэффективные центры рекомбинации, поэтому кремний для некоторых высокоскоростных диодов и транзисторов легирован небольшим количеством золота. Многие другие атомы, например железо или никель, обладают аналогичным действием.

Обзор

В практических приложениях электронная зонная структура полупроводника обычно находится в неравновесном состоянии. Следовательно, процессы, которые стремятся к тепловому равновесию, а именно механизмы рекомбинации носителей, всегда играют роль.

Кроме того, полупроводники, используемые в устройствах, очень редко являются чистыми полупроводниками . Часто используется легирующая добавка , дающая избыток электронов (при так называемом легировании n-типа ) или дырок (при так называемом легировании p-типа ) внутри зонной структуры. Это вводит мажоритарного оператора и миноритарного оператора. В результате время жизни носителей играет жизненно важную роль во многих полупроводниковых устройствах, содержащих легирующие примеси.

Механизмы рекомбинации

Существует несколько механизмов, с помощью которых неосновные носители могут рекомбинировать, каждый из которых вычитается из времени жизни носителей. Основными механизмами, которые играют роль в современных устройствах, являются межзонная рекомбинация и стимулированное излучение, которые являются формами излучательной рекомбинации, а также рекомбинация Шокли-Рида-Холла (SRH), Оже, Ланжевена и поверхностная рекомбинация, которые являются формами рекомбинации. безызлучательная рекомбинация.

В зависимости от системы одни механизмы могут играть большую роль, чем другие. Например, поверхностная рекомбинация играет важную роль в солнечных элементах, где большая часть усилий уходит на пассивирование поверхностей, чтобы минимизировать безызлучательную рекомбинацию. В отличие от этого, рекомбинация Ланжевена играет важную роль в органических солнечных элементах , где полупроводники характеризуются низкой подвижностью. В этих системах максимальное увеличение срока службы носителя является синонимом максимального повышения эффективности устройства.

Приложения

Солнечные батареи

Солнечный элемент - это электрическое устройство, в котором полупроводник подвергается воздействию света, который преобразуется в электричество за счет фотоэлектрического эффекта . Электроны либо возбуждаются за счет поглощения света, либо, если энергия запрещенной зоны материала может быть перекрыта, создаются электронно-дырочные пары . Одновременно создается потенциал напряжения. Носители заряда в солнечном элементе движутся через полупроводник, чтобы нейтрализовать указанный потенциал, который представляет собой силу дрейфа, которая перемещает электроны. Кроме того, электроны могут быть вынуждены перемещаться путем диффузии от более высокой концентрации к более низкой концентрации электронов.

Чтобы максимизировать эффективность солнечного элемента, желательно иметь как можно больше носителей заряда, собранных на электродах солнечного элемента. Таким образом, следует избегать рекомбинации электронов (среди других факторов, влияющих на эффективность). Это соответствует увеличению времени жизни носителей. Поверхностная рекомбинация происходит в верхней части солнечного элемента, что делает предпочтительным наличие слоев материала, обладающих высокими свойствами пассивирования поверхности, чтобы не подвергаться воздействию света в течение более длительных периодов времени. Кроме того, тот же метод наслоения различных полупроводниковых материалов используется для уменьшения вероятности захвата электронов, что приводит к уменьшению рекомбинации SRH с помощью ловушек и увеличению времени жизни носителей. Излучательная (межзонная) рекомбинация незначительна в солнечных элементах, которые имеют полупроводниковые материалы с непрямой структурой запрещенной зоны. Оже-рекомбинация является ограничивающим фактором для солнечных элементов, когда концентрация избыточных электронов возрастает при низких скоростях легирования. В противном случае рекомбинация СРГ, зависящая от допинга, является одним из основных механизмов, уменьшающих время жизни носителей электронов в солнечных элементах.

Биполярные переходные транзисторы

Транзистор с биполярным переходом - это тип транзистора, который может использовать электроны и электронные дырки в качестве носителей заряда. BJT использует в своей цепи монокристалл материала, который разделен на два типа полупроводников: n-тип и p-тип. Эти два типа легированных полупроводников распределены по трем различным областям в соответствующем порядке: область эмиттера, область базы и область коллектора. Область эмиттера и область коллектора количественно легированы по-разному, но имеют один и тот же тип легирования и имеют общую базовую область, поэтому система отличается от двух диодов, соединенных последовательно друг с другом. Для PNP-транзистора эти области относятся к p-типу, n-типу и p-типу, соответственно, а для NPN-транзистора эти области относятся к n-типу, p-типу и n-типу соответственно.

Для NPN-транзисторов в типичном прямом активном режиме, при условии инжекции носителей заряда через первый переход от эмиттера в базовую область, электроны являются носителями заряда, которые диффузно транспортируются через базовую область к области коллектора. Это неосновные носители базового региона. Аналогично, для PNP-транзисторов электронные дырки являются неосновными носителями базовой области.

Время жизни этих неосновных носителей заряда играет решающую роль в потоке заряда неосновных носителей в основной области, который находится между двумя переходами. В зависимости от режима работы BJT рекомбинация либо предпочтительна, либо ее следует избегать в базовой области.

В частности, для вышеупомянутого прямого активного режима работы рекомбинация не является предпочтительной. Таким образом, чтобы получить как можно больше неосновных носителей из базовой области в собирающую область до их рекомбинации, ширина базовой области должна быть достаточно малой, чтобы неосновные носители могли диффундировать за меньшее время, чем полупроводниковые. время жизни неосновного носителя. Эквивалентно ширина базовой области должна быть меньше диффузионной длины, которая представляет собой среднюю длину, которую проходит носитель заряда до рекомбинации. Кроме того, чтобы предотвратить высокие скорости рекомбинации, база слегка легирована по отношению к области эмиттера и коллектора. В результате этого носители заряда не имеют высокой вероятности оставаться в базовой области, которая является их предпочтительной областью заполнения при рекомбинации в состояние с более низкой энергией.

Для других режимов работы, таких как режим быстрого переключения, желательна высокая скорость рекомбинации (и, следовательно, короткое время жизни носителей). Требуемый режим работы и связанные с ним свойства области легированного основания должны быть рассмотрены, чтобы способствовать соответствующему сроку службы носителей. В настоящее время кремний и карбид кремния являются материалами, используемыми в большинстве BJT. Механизмы рекомбинации, которые необходимо учитывать в базовой области, включают поверхностную рекомбинацию вблизи перехода база-эмиттер, а также SRH- и оже-рекомбинация в базовой области. В частности, оже-рекомбинация увеличивается с ростом количества инжектированных носителей заряда, что снижает эффективность усиления тока с увеличением числа инжекций.

Полупроводниковые лазеры

В полупроводниковых лазерах время жизни носителей заряда - это время, которое требуется электрону перед рекомбинацией через безызлучательные процессы в резонаторе лазера. В рамках модели скоростных уравнений время жизни носителей используется в уравнении сохранения заряда как постоянная времени экспоненциального распада носителей.

Зависимость времени жизни носителей от плотности носителей выражается как:

${\ displaystyle {\ frac {1} {\ tau _ {n} (N)}} = A + BN + CN ^ {2}}$

где A, B и C - коэффициенты безызлучательной, радиационной и оже-рекомбинации, а - время жизни носителей заряда. ${\ Displaystyle \ тау _ {п} (N)}$

Измерение

Поскольку эффективность полупроводникового прибора обычно зависит от срока службы носителя, важно иметь возможность измерить эту величину. Метод, которым это делается, зависит от устройства, но обычно зависит от измерения тока и напряжения .

В солнечных элементах время жизни носителей можно рассчитать, освещая поверхность элемента, что вызывает генерацию носителей и увеличивает напряжение до тех пор, пока оно не достигнет равновесия, а затем выключая источник света. Это вызывает падение напряжения с постоянной скоростью. Скорость спада напряжения определяется количеством неосновных носителей, которые рекомбинируют за единицу времени, при этом большее количество рекомбинирующих носителей приводит к более быстрому распаду. Следовательно, меньшее время жизни носителя приведет к более быстрому спаду напряжения. Это означает, что время жизни носителя солнечного элемента можно рассчитать, изучив скорость спада его напряжения. Этот срок службы носителя обычно выражается как:

${\ displaystyle \ tau = - {\ frac {k_ {B} T} {q}} \ left ({\ frac {dV_ {oc}} {dt}} \ right) ^ {- 1}}$

где - постоянная Больцмана , q - элементарный заряд , T - температура, и - производная по времени от напряжения холостого хода . ${\ displaystyle k_ {B}}$${\ displaystyle {\ frac {dV_ {oc}} {dt}}}$

В транзисторах с биполярным переходом (BJT) определение времени жизни носителей намного сложнее. А именно, необходимо измерить выходную проводимость и обратную крутизну , обе из которых являются переменными, которые зависят от напряжения и протекания тока через BJT, и рассчитать время прохождения неосновных носителей, которое определяется шириной квазинейтральной базы. (QNB) БЮТ и коэффициент диффузии; константа, которая количественно определяет миграцию атомов в БЮТ. Срок службы носителя выражается как:

${\ displaystyle \ tau _ {BF} = - {\ frac {W_ {B} ^ {2}} {2D_ {n}}} \ cdot {\ frac {G_ {o}} {G_ {r}}}}$

где и - выходная проводимость, обратная крутизна, ширина QNB и коэффициент диффузии соответственно. ${\ displaystyle G_ {o}, G_ {r}, W_ {B}}$${\ displaystyle D_ {n}}$

Текущее исследование

Поскольку более длительный срок службы носителей часто является синонимом более эффективного устройства, исследования, как правило, сосредоточены на минимизации процессов, которые способствуют рекомбинации неосновных носителей. На практике это обычно подразумевает уменьшение структурных дефектов в полупроводниках или внедрение новых методов, которые не страдают от тех же механизмов рекомбинации.

В солнечных элементах из кристаллического кремния , которые особенно распространены, важным ограничивающим фактором является структурное повреждение элемента при нанесении прозрачной проводящей пленки . Это делается с помощью осаждения из реактивной плазмы , формы напыления . В процессе нанесения этой пленки на слое кремния появляются дефекты, что снижает срок службы носителей. Поэтому уменьшение количества повреждений, наносимых во время этого процесса, важно для повышения эффективности солнечного элемента, и это является фокусом текущих исследований.

В дополнение к исследованиям, направленным на оптимизацию популярных в настоящее время технологий, ведется большое количество исследований, связанных с другими, менее используемыми технологиями, такими как перовскитный солнечный элемент (PSC). Этот солнечный элемент предпочтительнее из-за его сравнительно дешевого и простого производственного процесса. Современные достижения предполагают, что есть еще достаточно возможностей для увеличения срока службы носителя этого солнечного элемента, при этом большинство проблем, связанных с ним, связаны со строительством.

Помимо солнечных элементов, перовскиты могут использоваться для производства светодиодов, лазеров и транзисторов. В результате этого перовскиты свинца и галогенидов вызывают особый интерес в современных исследованиях. Текущие проблемы включают структурные дефекты, которые появляются, когда полупроводниковые устройства изготавливаются из этого материала, поскольку плотность дислокаций, связанная с кристаллами, снижает срок службы их носителей.

использованная литература

внешние ссылки

• Срок службы оператора связи