Żywotność przewoźnika
Zgodnie z definicją w fizyce półprzewodników , czas życia nośnika definiuje się jako średni czas potrzebny do rekombinacji nośnika mniejszościowego . Proces, w którym to się odbywa, jest zwykle znany jako rekombinacja nośników mniejszościowych .
Energia uwalniana w wyniku rekombinacji może być albo termiczna, a tym samym podgrzewająca półprzewodnik ( rekombinacja termiczna lub rekombinacja niepromienista , jedno ze źródeł ciepła odpadowego w półprzewodnikach ), albo uwalniana w postaci fotonów ( rekombinacja optyczna , stosowana w diodach LED i laserach półprzewodnikowych) ). Żywotność nośnika może się znacznie różnić w zależności od materiałów i konstrukcji półprzewodnika.
Żywotność nośnika odgrywa ważną rolę w tranzystorach bipolarnych i ogniwach słonecznych .
W półprzewodnikach z pośrednim pasmem wzbronionym czas życia nośnika silnie zależy od koncentracji centrów rekombinacji. Atomy złota działają jako wysoce wydajne centra rekombinacji, dlatego krzem w niektórych diodach i tranzystorach o dużej szybkości przełączania jest dodawany do niewielkiej ilości złota. Podobne działanie ma wiele innych atomów, np. żelaza czy niklu.
Przegląd
W praktycznych zastosowaniach elektronowa struktura pasmowa półprzewodnika zwykle znajduje się w stanie nierównowagi. Dlatego procesy zmierzające do równowagi termicznej, a mianowicie mechanizmy rekombinacji nośników, zawsze odgrywają pewną rolę.
Dodatkowo półprzewodniki stosowane w urządzeniach bardzo rzadko są czystymi półprzewodnikami . Często domieszka , dająca nadmiar elektronów (w tzw. domieszkowaniu typu n ) lub dziur (w tzw. domieszkowaniu typu p ) w obrębie struktury pasmowej. Wprowadza to przewoźnika większościowego i przewoźnika mniejszościowego. W rezultacie żywotność nośnika odgrywa istotną rolę w wielu urządzeniach półprzewodnikowych zawierających domieszki.
Mechanizmy rekombinacji
Istnieje kilka mechanizmów, dzięki którym nosiciele mniejszościowi mogą się rekombinować, z których każdy odejmuje czas życia nośnika. Głównymi mechanizmami odgrywającymi rolę w nowoczesnych urządzeniach są rekombinacja między pasmami i emisja wymuszona, które są formami rekombinacji radiacyjnej, oraz Shockley-Read-Hall (SRH), Auger, Langevin i rekombinacja powierzchniowa, które są formami rekombinacja nieradiacyjna.
W zależności od systemu, niektóre mechanizmy mogą odgrywać większą rolę niż inne. Na przykład rekombinacja powierzchni odgrywa znaczącą rolę w ogniwach słonecznych, gdzie wiele wysiłku wkłada się w pasywację powierzchni w celu zminimalizowania rekombinacji nieradiacyjnej. W przeciwieństwie do tego, rekombinacja Langevina odgrywa główną rolę w organicznych ogniwach słonecznych , gdzie półprzewodniki charakteryzują się niską ruchliwością. W tych systemach maksymalizacja żywotności nośnika jest równoznaczna z maksymalizacją wydajności urządzenia.
Aplikacje
Ogniwa słoneczne
Ogniwo słoneczne to urządzenie elektryczne, w którym półprzewodnik jest wystawiony na działanie światła, które jest przekształcane w energię elektryczną w wyniku efektu fotowoltaicznego . Elektrony są albo wzbudzane przez absorpcję światła, albo jeśli energia pasma wzbronionego materiału może zostać zmostkowana, powstają pary elektron-dziura . Jednocześnie powstaje potencjał napięciowy. Nośniki ładunku w ogniwie słonecznym poruszają się przez półprzewodnik w celu anulowania wspomnianego potencjału, który jest siłą dryfującą poruszającą elektrony. Ponadto elektrony można zmusić do ruchu przez dyfuzję z wyższego stężenia do niższego stężenia elektronów.
Aby zmaksymalizować wydajność ogniwa słonecznego, pożądane jest zgromadzenie jak największej liczby nośników ładunku na elektrodach ogniwa słonecznego. Dlatego należy unikać rekombinacji elektronów (między innymi czynników wpływających na wydajność). Odpowiada to wydłużeniu żywotności nośnika. Rekombinacja powierzchni zachodzi w górnej części ogniwa słonecznego, co sprawia, że preferowane są warstwy materiału o doskonałych pasywacji powierzchni , aby nie ulegać wpływowi ekspozycji na światło przez dłuższy czas. Dodatkowo ta sama metoda nakładania warstw różnych materiałów półprzewodnikowych jest stosowana w celu zmniejszenia prawdopodobieństwa wychwytu elektronów, co skutkuje zmniejszeniem rekombinacji SRH wspomaganej pułapkami i zwiększeniem czasu życia nośnika. Rekombinacja radiacyjna (pasmo do pasma) jest pomijalna w ogniwach słonecznych, które mają materiały półprzewodnikowe z pośrednią strukturą przerwy wzbronionej. Rekombinacja ślimaka występuje jako czynnik ograniczający ogniwa słoneczne, gdy stężenie nadmiarowych elektronów rośnie przy niskich szybkościach domieszkowania. W przeciwnym razie zależna od domieszkowania rekombinacja SRH jest jednym z podstawowych mechanizmów skracających czas życia nośnika elektronów w ogniwach słonecznych.
Tranzystory bipolarne złączowe
Tranzystor bipolarny to rodzaj tranzystora, który może wykorzystywać elektrony i dziury elektronowe jako nośniki ładunku. BJT wykorzystuje pojedynczy kryształ materiału w swoim obwodzie, który jest podzielony na dwa rodzaje półprzewodników, typu n i typu p. Te dwa rodzaje domieszkowanych półprzewodników są rozmieszczone w trzech różnych obszarach w odpowiedniej kolejności: obszar emitera, obszar podstawy i obszar kolektora. Obszar emitera i obszar kolektora są inaczej domieszkowane ilościowo, ale są tego samego rodzaju domieszkowania i mają wspólny obszar podstawowy, dlatego układ różni się od dwóch diod połączonych szeregowo ze sobą. Dla tranzystora PNP regiony te są odpowiednio typu p, typu n i typu p, a dla tranzystora NPN regiony te są odpowiednio typu n, typu p i typu n.
W przypadku tranzystorów NPN w typowej operacji przewodzenia , biorąc pod uwagę wstrzyknięcie nośników ładunku przez pierwsze złącze z emitera do obszaru podstawowego, nośnikami ładunku są elektrony, które są transportowane dyfuzyjnie przez obszar podstawowy w kierunku obszaru kolektora. Są to przewoźnicy mniejszościowi z regionu bazowego. Analogicznie, w przypadku tranzystorów PNP dziury elektroniczne są nośnikami mniejszościowymi regionu podstawowego.
Czas życia nośników tych nośników mniejszościowych odgrywa kluczową rolę w przepływie ładunków nośników mniejszościowych w regionie podstawowym, który znajduje się między dwoma węzłami. W zależności od trybu działania BJT, rekombinacja jest albo preferowana, albo należy jej unikać w regionie podstawowym.
W szczególności, dla wspomnianego wyżej aktywnego trybu działania, rekombinacja nie jest korzystna. Tak więc, aby uzyskać jak najwięcej nośników mniejszościowych z obszaru podstawowego do obszaru zbierającego, zanim te ponownie się połączą, szerokość obszaru podstawowego musi być wystarczająco mała, aby nośniki mniejszościowe mogły dyfundować w krótszym czasie niż półprzewodnikowy żywotność przewoźnika mniejszościowego. Równoważnie szerokość obszaru podstawowego musi być mniejsza niż długość dyfuzji, czyli średnia długość, jaką pokonuje nośnik ładunku przed rekombinacją. Dodatkowo, aby zapobiec wysokim współczynnikom rekombinacji, zasada jest tylko słabo domieszkowana w odniesieniu do obszaru emitera i kolektora. W rezultacie nośniki ładunku nie mają dużego prawdopodobieństwa pozostania w regionie bazowym, który jest ich preferowanym regionem zajmowania podczas rekombinacji w stan o niższej energii.
W przypadku innych trybów działania, takich jak szybkie przełączanie, pożądana jest wysoka szybkość rekombinacji (a tym samym krótki czas życia nośnika). Pożądany tryb działania i związane z nim właściwości domieszkowanego obszaru podstawowego muszą być rozważone w celu ułatwienia odpowiedniego czasu życia nośnika. Obecnie krzem i węglik krzemu są materiałami stosowanymi w większości BJT. Mechanizmy rekombinacji, które należy wziąć pod uwagę w regionie podstawowym, to rekombinacja powierzchniowa w pobliżu złącza baza-emiter, a także rekombinacja SRH i Augera w regionie podstawowym. W szczególności rekombinacja Augera wzrasta, gdy rośnie ilość wstrzykiwanych nośników ładunku, zmniejszając w ten sposób efektywność wzmocnienia prądu wraz ze wzrostem liczby wtrysków.
Lasery półprzewodnikowe
W laserach półprzewodnikowych czas życia nośnika to czas potrzebny elektronowi na rekombinację w procesach bezpromienistych we wnęce lasera. W ramach modelu równań szybkości czas życia nośników jest używany w równaniu zachowania ładunku jako stała czasowa wykładniczego zaniku nośników.
Zależność czasu życia nośnika od gęstości nośnika wyraża się wzorem:
rekombinacji nieradiacyjnej, radiacyjnej i Augera, nośnika
Pomiar
Ponieważ sprawność urządzenia półprzewodnikowego zasadniczo zależy od czasu życia nośnika, ważna jest możliwość zmierzenia tej wielkości. Metoda, za pomocą której to się odbywa, zależy od urządzenia, ale zazwyczaj polega na pomiarze prądu i napięcia .
W ogniwach słonecznych czas życia nośnika można obliczyć, oświetlając powierzchnię ogniwa, co indukuje generację nośnika i zwiększa napięcie aż do osiągnięcia stanu równowagi, a następnie wyłącza źródło światła. Powoduje to spadek napięcia w stałym tempie. Szybkość, z jaką zanika napięcie, jest określona przez liczbę nośników mniejszościowych, które rekombinują w jednostce czasu, przy czym większa liczba rekombinowanych nośników skutkuje szybszym zanikiem. W konsekwencji krótszy czas życia nośnika spowoduje szybszy spadek napięcia. Oznacza to, że żywotność nośnika ogniwa słonecznego można obliczyć, badając szybkość jego spadku napięcia. Ten czas życia nośnika jest ogólnie wyrażany jako:
gdzie to stała Boltzmanna , q to ładunek elementarny , T to temperatura i jest pochodną czasu napięcia w obwodzie otwartym .
W bipolarnych tranzystorach złączowych (BJT) określenie czasu życia nośnika jest raczej skomplikowane. Mianowicie, należy zmierzyć przewodnictwo wyjściowe i transkonduktancję zwrotną, z których obie są zmiennymi zależnymi od napięcia i przepływu prądu przez BJT, i obliczyć czas przejścia nośnika mniejszościowego, który jest określony przez szerokość podstawy quasi-neutralnej (QNB) BJT i współczynnik dyfuzji; stała, która określa ilościowo migrację atomów w BJT. Ten czas życia nośnika jest wyrażony jako:
gdzie i są przewodnictwem wyjściowym, transkonduktancją odwrotną, szerokością QNB sol i współczynnik dyfuzji, odpowiednio.
Obecne badania
Ponieważ dłuższa żywotność nośnika jest często synonimem bardziej wydajnego urządzenia, badania zwykle koncentrują się na minimalizowaniu procesów, które przyczyniają się do rekombinacji nośników mniejszościowych. W praktyce oznacza to na ogół zmniejszenie defektów strukturalnych w półprzewodnikach lub wprowadzenie nowych metod, które nie podlegają tym samym mechanizmom rekombinacji.
W ogniwach słonecznych z krzemu krystalicznego , które są szczególnie powszechne, ważnym czynnikiem ograniczającym są uszkodzenia strukturalne ogniwa podczas nakładania przezroczystej folii przewodzącej . Odbywa się to za pomocą reaktywnego osadzania plazmowego , formy osadzania przez napylanie katodowe . W procesie nakładania tej folii na warstwie silikonu pojawiają się defekty, które pogarszają żywotność nośnika. Zmniejszenie ilości szkód wyrządzonych podczas tego procesu jest zatem ważne dla zwiększenia wydajności ogniwa słonecznego i jest przedmiotem obecnych badań.
Oprócz badań, które mają na celu optymalizację obecnie preferowanych technologii, istnieje wiele badań dotyczących innych, rzadziej wykorzystywanych technologii, takich jak perowskitowe ogniwo słoneczne (PSC). To ogniwo słoneczne jest preferowane ze względu na stosunkowo tani i prosty proces produkcyjny. Współczesne postępy sugerują, że wciąż jest dużo miejsca na poprawę żywotności nośnika tego ogniwa słonecznego, przy czym większość związanych z nim problemów jest związana z budową.
Oprócz ogniw słonecznych perowskity można wykorzystać do produkcji diod LED, laserów i tranzystorów. W rezultacie ołowiowe i halogenkowe cieszą się szczególnym zainteresowaniem współczesnych badań. Obecne problemy obejmują defekty strukturalne, które pojawiają się, gdy urządzenia półprzewodnikowe są wytwarzane z tego materiału, ponieważ gęstość dyslokacji związana z kryształami jest szkodliwa dla ich żywotności nośnika.
