Срок службы носителя

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

Энергия, выделяющаяся 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 , используемая в светодиодах и полупроводниковых лазерах). ). Время жизни носителей может существенно различаться в зависимости от материалов и конструкции полупроводника.

Время жизни носителей 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 диодов и транзисторов с высокой скоростью переключения легируется небольшим количеством золота. Многие другие атомы, например железо или никель, оказывают аналогичный эффект. ^{[ 1 ]}

Обзор

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

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 меньшинства. В результате время жизни носителей играет жизненно важную роль во многих полупроводниковых устройствах, содержащих легирующие примеси.

Механизмы рекомбинации

Существует несколько механизмов рекомбинации неосновных носителей, каждый из которых уменьшает время жизни носителя. Основными механизмами, которые играют роль в современных устройствах, являются межзонная рекомбинация и вынужденное излучение, которые являются формами излучательной рекомбинации, а также рекомбинация Шокли-Рида-Холла (СРХ), Оже, Ланжевена и поверхностная рекомбинация, которые являются формами рекомбинации. безызлучательная рекомбинация.

В зависимости от системы одни механизмы могут играть большую роль, чем другие. ^{[ 2 ]} Например, поверхностная рекомбинация играет важную роль в солнечных элементах, где большая часть усилий уходит на пассивацию поверхностей, чтобы минимизировать безызлучательную рекомбинацию. ^{[ 3 ]} В отличие от этого, рекомбинация Ланжевена играет важную роль в органических солнечных элементах , где полупроводники характеризуются низкой подвижностью. ^{[ 4 ]} В этих системах максимизация срока службы носителя является синонимом максимизации эффективности устройства. ^{[ 5 ]}

Приложения

Солнечные батареи

Солнечный элемент — это электрическое устройство, в котором полупроводник подвергается воздействию света, который преобразуется в электричество посредством фотоэлектрического эффекта . Электроны либо возбуждаются за счет поглощения света, либо, если энергия запрещенной зоны материала может быть преодолена, электронно-дырочные пары создаются . Одновременно создается потенциал напряжения. Носители заряда внутри солнечного элемента движутся через полупроводник, чтобы нейтрализовать упомянутый потенциал, который представляет собой дрейфовую силу, перемещающую 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, поэтому предпочтительнее иметь слои материала, которые обладают высокими свойствами пассивации поверхности , чтобы не подвергаться воздействию света в течение более длительных периодов времени. ^{[ 6 ]} Кроме того, тот же метод наслаивания различных полупроводниковых материалов используется для уменьшения вероятности захвата электронов, что приводит к уменьшению SRH-рекомбинации с помощью ловушек и увеличению времени жизни носителей. Радиационная (межзонная) рекомбинация незначительна в солнечных элементах, содержащих полупроводниковые материалы с непрямозонной структурой. Оже-рекомбинация возникает как ограничивающий фактор для солнечных элементов, когда концентрация избыточных электронов возрастает при низких уровнях легирования. В противном случае зависимая от допинга SRH-рекомбинация является одним из основных механизмов, уменьшающих время жизни носителей электронов в солнечных элементах. ^{[ 7 ]}

Биполярные транзисторы

Биполярный переходной транзистор — это тип транзистора, который может использовать электроны и электронные дырки в качестве носителей заряда. В схеме BJT используется монокристалл материала, разделенный на два типа полупроводника: n-типа и p-типа. 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 являются соответственно p-типа, n-типа и p-типа, а для NPN-транзистора эти области являются соответственно n-типа, p-типа и n-типа.

Для NPN-транзисторов в типичном прямонаправленном режиме работы при инжекции носителей заряда через первый переход от эмиттера в область базы электроны являются носителями заряда, которые диффузионно транспортируются через область базы к области коллектора. Это миноритарные перевозчики базового региона. Аналогично, для PNP-транзисторов электронные дырки являются неосновными носителями базовой области.

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

В частности, для вышеупомянутого прямого активного режима работы рекомбинация не является предпочтительной. Таким образом, чтобы перенести как можно больше неосновных носителей из базовой области в собирающую область до того, как они рекомбинируются, ширина базовой области должна быть достаточно маленькой, чтобы неосновные носители могли диффундировать за меньшее время, чем у полупроводника. срок службы миноритарного носителя. Эквивалентно, ширина базовой области должна быть меньше диффузионной длины, которая представляет собой среднюю длину, которую проходит носитель заряда перед рекомбинацией. Кроме того, чтобы предотвратить высокие скорости рекомбинации, база легируется лишь слегка 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 проживания при рекомбинации в низкоэнергетическое состояние.

Для других режимов работы, таких как режим быстрого переключения, желательна высокая скорость рекомбинации (и, следовательно, короткое время жизни носителей). Желаемый режим работы и связанные с ним свойства области легированного основания должны учитываться, чтобы обеспечить соответствующий срок службы носителей. В настоящее время кремний и карбид кремния являются материалами, используемыми в большинстве BJT. ^{[ 8 ]} Механизмами рекомбинации, которые необходимо учитывать в базовой области, являются поверхностная рекомбинация вблизи перехода база-эмиттер, а также SRH- и оже-рекомбинация в базовой области. В частности, оже-рекомбинация усиливается с увеличением количества инжектированных носителей заряда, что снижает эффективность усиления тока с ростом числа инжекций.

Полупроводниковые лазеры

В полупроводниковых лазерах время жизни носителей — это время, в течение которого электрон рекомбинирует в результате безызлучательных процессов в резонаторе лазера. В рамках модели скоростных уравнений время жизни носителей используется в уравнении сохранения заряда как постоянная времени экспоненциального затухания носителей.

Зависимость времени жизни носителей от плотности носителей выражается как: ^{[ 9 ]}

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

где A, B и C — коэффициенты безызлучательной, излучательной и оже-рекомбинации, $\tau _{n}(N)$ это срок службы носителя.

Измерение

Поскольку эффективность полупроводникового устройства обычно зависит от времени жизни его носителей, важно иметь возможность измерить эту величину. Метод, с помощью которого 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 выключает источник света. Это приводит к тому, что напряжение падает с постоянной скоростью. Скорость спада напряжения определяется количеством неосновных носителей, которые рекомбинируют в единицу времени, причем большее количество рекомбинирующих носителей приводит к более быстрому затуханию. Впоследствии более низкий срок службы носителей приведет к более быстрому спаду напряжения. Это означает, что время жизни носителей солнечного элемента можно рассчитать, изучая скорость затухания его напряжения. ^{[ 10 ]} Срок службы носителя обычно выражается как: ^{[ 11 ]}

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

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

В транзисторах с биполярным переходом (BJT) определение времени жизни носителей гораздо сложнее. А именно, необходимо измерить выходную проводимость и обратную крутизну , которые являются переменными, зависящими от напряжения и тока через биполярный транзистор, и рассчитать время прохождения неосновных носителей, которое определяется шириной квазинейтральной базы. (QNB) БЮТ и коэффициент диффузии; константа, которая количественно определяет миграцию атомов внутри BJT. ^{[ 12 ]} Срок службы носителя выражается как: ^{[ 13 ]}

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

где $G_{o},G_{r},W_{B}$ и $D_{n}$ – выходная проводимость, обратная крутизна, ширина КНБ и коэффициент диффузии соответственно.

Текущие исследования

Поскольку более длительный срок службы носителей часто является синонимом более эффективного устройства, исследования, как правило, сосредотачиваются на минимизации процессов, которые способствуют рекомбинации неосновных носителей. На практике это обычно подразумевает уменьшение структурных дефектов внутри полупроводников 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 прозрачной проводящей пленки нанесении . Это делается с помощью реактивного плазменного осаждения , разновидности осаждения методом распыления . В процессе нанесения этой пленки на слое кремния появляются дефекты, ухудшающие время жизни носителей. ^{[ 14 ]} Поэтому уменьшение количества повреждений, наносимых во время этого процесса, важно для повышения эффективности солнечного элемента и является целью текущих исследований. ^{[ 15 ]}

Помимо исследований, направленных на оптимизацию популярных в настоящее время технологий, проводится большое количество исследований, касающихся других, менее используемых технологий, таких как солнечные элементы на перовските (PSC). Этот солнечный элемент предпочтителен из-за его сравнительно дешевого и простого производственного процесса. Современные достижения показывают, что еще есть много возможностей для увеличения срока службы носителя этого солнечного элемента, при этом большинство проблем, связанных с ним, связаны с конструкцией. ^{[ 16 ]}

Помимо солнечных элементов, перовскиты можно использовать для производства светодиодов, лазеров и транзисторов. В связи с этим свинец и галогенид- особый интерес для современных исследований представляют перовскиты. Текущие проблемы включают структурные дефекты, которые появляются при изготовлении полупроводниковых устройств из этого материала, поскольку плотность дислокаций, связанных с кристаллами , отрицательно влияет на срок службы их носителей. ^{[ 17 ]}

Ссылки

^ Алан Гастингс - Искусство аналоговой компоновки, 2-е изд. (2005, ISBN 0131464108 )
^ Куэвас, Андрес; Макдональд, Дэниел; Синтон, Рональд А. (2018). «3» . В Калегиру, Сотерис А. (ред.). Справочник МакЭвоя по фотогальванике (Третье изд.). Академическая пресса. стр. 1119–1154. дои : 10.1016/B978-0-12-809921-6.00032-X . ISBN 978-0-12-809921-6 .
^ Ли, Чжэнь; и др. (2020). «Минимизация дефекта поверхности широкозонного перовскита для эффективной фотоэлектрической установки внутри помещений» . Нано Энергия . 78 : 105377. doi : 10.1016/j.nanoen.2020.105377 . ISSN 2211-2855 . S2CID 224951355 .
^ Лю, Имин; Зойен, Карин; Лассен, Бенни; Кьельструп-Хансен, Якоб; Рубан, Хорст-Гюнтер; Мэдсен, Мортен (2015). «Роль состояния с переносом заряда в восстановленной ланжевеновой рекомбинации в органических солнечных элементах: теоретическое исследование» . Журнал физической химии C. 119 (47): 26588–26597. дои : 10.1021/acs.jpcc.5b08936 . ПМК 4665083 . ПМИД 26640611 .
^ Томас, RE (1979). «25» . В Диксоне, AE; Лесли, Джей Ди (ред.). Преобразование солнечной энергии . Пергамон. стр. 805–830. дои : 10.1016/B978-0-08-024744-1.50030-9 . ISBN 978-0-08-024744-1 .
^ Ли, Чжэнь; и др. (2020). «Минимизация дефекта поверхности широкозонного перовскита для эффективной фотоэлектрической установки внутри помещений» . Нано Энергия . 78 : 105377. doi : 10.1016/j.nanoen.2020.105377 . ISSN 2211-2855 . S2CID 224951355 .
^ Воссье, Алексис; Хирш, Барух; М. Гордон, Джеффри (2010). «Является ли оже-рекомбинация абсолютным ограничителем производительности солнечных элементов-концентраторов?». Письма по прикладной физике . 97 (19): 193509. Бибкод : 2010АпФЛ..97с3509В . дои : 10.1063/1.3510474 .
^ Хён-Сок Ли - Мощные биполярные переходные транзисторы из карбида кремния (2005)
^ Л. А. Колдрен и С. В. Корзин, «Диодные лазеры и фотонные интегральные схемы», Wiley Interscience, 1995 г.
^ Ранджан, Викаш; Соланки, Четан; Лал, Раджеш (2008). «Время жизни неосновных носителей, измерение солнечного элемента» . 2008 г. 2-й национальный семинар по передовым оптоэлектронным материалам и устройствам, AOMD, 2008 г.
^ Ян, Хан; Тан, Ябин; Суй, Синьюй; Лю, Юйчэн; Гао, Боуэй; Лю, Синьфэн; Лю, Шэньчжун Франк; Хоу, Цзяньхуэй; Ма, Вэй (2019). «Повышение квантовой эффективности полимерных солнечных элементов с эффективным расщеплением экситонов и длительным временем жизни носителей заряда путем молекулярного легирования гетеропереходов» . Энергетические письма ACS . 4 (6): 1356–1363. doi : 10.1021/acsenergylett.9b00843 . S2CID 182203240 .
^ Шоу, Д. (2017). «Диффузия в полупроводниках». В Касапе, С.; Кэппер, П. (ред.). Справочник Springer по электронным и фотонным материалам . Справочники Спрингера. Спрингер, Чам. п. 1. дои : 10.1007/978-3-319-48933-9_6 . ISBN 978-3-319-48931-5 .
^ Бирриттелла, MS; Нойгрошель, Арност; Линдхольм, Фредрик (1979). «Определение срока службы базы переходных транзисторов с неосновной несущей путем измерения проводимости модуляции ширины базы» . Транзакции IEEE на электронных устройствах . 26 (9): 1361–1363. Бибкод : 1979ITED...26.1361B . дои : 10.1109/T-ED.1979.19607 . S2CID 19349122 .
^ Кохей, Ониси; Ютака, Хара; Таппей, Нишихара; Хироки, Канаи; Такефуми, Камиока; Ёсио, Осита; Ацуши, Огура (2020). «Оценка плазменных дефектов на кремниевой подложке в процессе изготовления солнечных элементов» . Японский журнал прикладной физики . 59 (7). Издательство IOP: Бибкод : 2020ДаJAP..59g1003O 071003. дои : 10.35848/1347-4065/ab984d .
^ Линсс, Волкер; Бивур, Мартин; Ивата, Хироши; Ортнер, Кай (2019). «Сравнение методов напыления с низким уровнем повреждений для нанесения очень тонких пассивирующих пленок a-Si» . Материалы конференции AIP . 15-я Международная конференция по концентраторным фотоэлектрическим системам (CPV-15). 2147 (1): 040009. Бибкод : 2019AIPC.2147d0009L . дои : 10.1063/1.5123836 .
^ Мескита, Изабель; Андраде, Луиза; Мендес, Аделио (2018). «Перовскитовые солнечные элементы: материалы, конфигурации и стабильность» . Обзоры возобновляемой и устойчивой энергетики . 82 : 2471–2489. дои : 10.1016/j.rser.2017.09.011 . ISSN 1364-0321 .
^ Цзян, Дж.; Солнце, Х.; Чен, X.; и др. (2019). «Увеличение времени жизни носителей в галоидном перовските посредством дистанционной эпитаксии» . Нат Коммун . 10 (1): 4145. Бибкод : 2019NatCo..10.4145J . дои : 10.1038/s41467-019-12056-1 . ПМЦ 6742762 . ПМИД 31515482 .

Внешние ссылки

Срок службы оператора связи

[1] Алан Гастингс - Искусство аналоговой компоновки, 2-е изд. (2005, ISBN 0131464108 )

[2] Куэвас, Андрес; Макдональд, Дэниел; Синтон, Рональд А. (2018). «3» . В Калегиру, Сотерис А. (ред.). Справочник МакЭвоя по фотогальванике (Третье изд.). Академическая пресса. стр. 1119–1154. дои : 10.1016/B978-0-12-809921-6.00032-X . ISBN 978-0-12-809921-6 .

[3] Ли, Чжэнь; и др. (2020). «Минимизация дефекта поверхности широкозонного перовскита для эффективной фотоэлектрической установки внутри помещений» . Нано Энергия . 78 : 105377. doi : 10.1016/j.nanoen.2020.105377 . ISSN 2211-2855 . S2CID 224951355 .

[4] Лю, Имин; Зойен, Карин; Лассен, Бенни; Кьельструп-Хансен, Якоб; Рубан, Хорст-Гюнтер; Мэдсен, Мортен (2015). «Роль состояния с переносом заряда в восстановленной ланжевеновой рекомбинации в органических солнечных элементах: теоретическое исследование» . Журнал физической химии C. 119 (47): 26588–26597. дои : 10.1021/acs.jpcc.5b08936 . ПМК 4665083 . ПМИД 26640611 .

[5] Томас, RE (1979). «25» . В Диксоне, AE; Лесли, Джей Ди (ред.). Преобразование солнечной энергии . Пергамон. стр. 805–830. дои : 10.1016/B978-0-08-024744-1.50030-9 . ISBN 978-0-08-024744-1 .

[6] Ли, Чжэнь; и др. (2020). «Минимизация дефекта поверхности широкозонного перовскита для эффективной фотоэлектрической установки внутри помещений» . Нано Энергия . 78 : 105377. doi : 10.1016/j.nanoen.2020.105377 . ISSN 2211-2855 . S2CID 224951355 .

[7] Воссье, Алексис; Хирш, Барух; М. Гордон, Джеффри (2010). «Является ли оже-рекомбинация абсолютным ограничителем производительности солнечных элементов-концентраторов?». Письма по прикладной физике . 97 (19): 193509. Бибкод : 2010АпФЛ..97с3509В . дои : 10.1063/1.3510474 .

[8] Хён-Сок Ли - Мощные биполярные переходные транзисторы из карбида кремния (2005)

[9] Л. А. Колдрен и С. В. Корзин, «Диодные лазеры и фотонные интегральные схемы», Wiley Interscience, 1995 г.

[10] Ранджан, Викаш; Соланки, Четан; Лал, Раджеш (2008). «Время жизни неосновных носителей, измерение солнечного элемента» . 2008 г. 2-й национальный семинар по передовым оптоэлектронным материалам и устройствам, AOMD, 2008 г.

[11] Ян, Хан; Тан, Ябин; Суй, Синьюй; Лю, Юйчэн; Гао, Боуэй; Лю, Синьфэн; Лю, Шэньчжун Франк; Хоу, Цзяньхуэй; Ма, Вэй (2019). «Повышение квантовой эффективности полимерных солнечных элементов с эффективным расщеплением экситонов и длительным временем жизни носителей заряда путем молекулярного легирования гетеропереходов» . Энергетические письма ACS . 4 (6): 1356–1363. doi : 10.1021/acsenergylett.9b00843 . S2CID 182203240 .

[12] Шоу, Д. (2017). «Диффузия в полупроводниках». В Касапе, С.; Кэппер, П. (ред.). Справочник Springer по электронным и фотонным материалам . Справочники Спрингера. Спрингер, Чам. п. 1. дои : 10.1007/978-3-319-48933-9_6 . ISBN 978-3-319-48931-5 .

[13] Бирриттелла, MS; Нойгрошель, Арност; Линдхольм, Фредрик (1979). «Определение срока службы базы переходных транзисторов с неосновной несущей путем измерения проводимости модуляции ширины базы» . Транзакции IEEE на электронных устройствах . 26 (9): 1361–1363. Бибкод : 1979ITED...26.1361B . дои : 10.1109/T-ED.1979.19607 . S2CID 19349122 .

[14] Кохей, Ониси; Ютака, Хара; Таппей, Нишихара; Хироки, Канаи; Такефуми, Камиока; Ёсио, Осита; Ацуши, Огура (2020). «Оценка плазменных дефектов на кремниевой подложке в процессе изготовления солнечных элементов» . Японский журнал прикладной физики . 59 (7). Издательство IOP: Бибкод : 2020ДаJAP..59g1003O 071003. дои : 10.35848/1347-4065/ab984d .

[15] Линсс, Волкер; Бивур, Мартин; Ивата, Хироши; Ортнер, Кай (2019). «Сравнение методов напыления с низким уровнем повреждений для нанесения очень тонких пассивирующих пленок a-Si» . Материалы конференции AIP . 15-я Международная конференция по концентраторным фотоэлектрическим системам (CPV-15). 2147 (1): 040009. Бибкод : 2019AIPC.2147d0009L . дои : 10.1063/1.5123836 .

[16] Мескита, Изабель; Андраде, Луиза; Мендес, Аделио (2018). «Перовскитовые солнечные элементы: материалы, конфигурации и стабильность» . Обзоры возобновляемой и устойчивой энергетики . 82 : 2471–2489. дои : 10.1016/j.rser.2017.09.011 . ISSN 1364-0321 .

[17] Цзян, Дж.; Солнце, Х.; Чен, X.; и др. (2019). «Увеличение времени жизни носителей в галоидном перовските посредством дистанционной эпитаксии» . Нат Коммун . 10 (1): 4145. Бибкод : 2019NatCo..10.4145J . дои : 10.1038/s41467-019-12056-1 . ПМЦ 6742762 . ПМИД 31515482 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]

[ 15 ]

[ 16 ]

[ 17 ]