Daşıyıcının ömrü Yarımkeçirici fizikasında əsas parametrlərdən biridir, tarazlıqdan kənar daşıyıcıların (elektronlar və ya boşluqlar) materialda rekombinə olana qədər sağ qaldıqları orta vaxtı təsvir etmək üçün istifadə olunur. Onun dəyəri birbaşa yarımkeçirici materialın keyfiyyətini və saflığını, eləcə də qurğuların potensial performansını əks etdirir. Aşağıda ətraflı izahat verilir:
1. Əsas Tərif
Daşıyıcılar:
Yarımkeçiricilərdəki keçirici hissəciklərə elektronlar (mənfi yük) və boşluqlar (müsbət yük) daxildir. Işıq, elektrik və ya istiliklə həyəcanlandırıldıqda elektronlar valenslik bandından keçiricilik bandına keçir və elektron-boşluq cütləri (yəni tarazlıqdan kənar daşıyıcılar) yaradır.
Daşıyıcının ömrü:
Bu qeyri-tarazlıq daşıyıcılarının yaradıldığı andan yenidən birləşdiyi (elektronların boşluqları doldurması) vaxta qədər keçən orta vaxt mikrosaniyə (μs) və ya millisaniyə (ms) ilə ölçülür. Ömrü nə qədər uzun olarsa, materialın tipik keyfiyyəti bir o qədər yüksək olur.
2. Niyə vacibdir?
Yarımkeçirici cihazın performansı:
- Günəş hüceyrələri: Daşıyıcının ömrü nə qədər uzun olarsa, fotogenerasiya olunmuş elektron-boşluq cütlərinin elektrodlar tərəfindən toplanması üçün bir o qədər çox imkanı olur, bu da çevrilmə səmərəliliyini artırır.
- Güc cihazları (məsələn, IGBT, SiC MOSFET): Daha uzun ömrü keçid itkilərini azaldır və gərginliyə davamlılıq qabiliyyətini yaxşılaşdırır.
- Sensorlar/Detektorlar: Cavab sürətinə və siqnal-səs-küy nisbətinə təsir edir.
Prosesin monitorinqi:
Ömrün azalması materialın çirklənməsini (məsələn, metal çirkləri), kristal qüsurlarını və ya proses zədələnməsini (məsələn, həddindən artıq ion implantasiyası) göstərə bilər.
3. Daşıyıcının ömrünə təsir edən amillər
(1) Materialın daxili xüsusiyyətləri
- Band boşluğu eni (Eg): Geniş band boşluğu olan materiallar (məsələn, SiC, GaN) adətən daşıyıcıların ömrü qısadır (nanosaniyələr), halbuki silikon (Si) millisaniyələrə qədər çata bilər.
- Kristal keyfiyyəti: Tək kristallı silikonun ömrü polikristallı silikondan (dana sərhədləri boyunca rekombinə olma səbəbindən) xeyli uzun olur.
(2) Çirklər və qüsurlar
- Metal çirkləri (Fe, Cu və s.): Rekombinə mərkəzləri yaradın və daşıyıcıların rekombinəsiyasını sürətləndirin.
Məsələn: Silisiumda cəmi 1 ppb (milyardda bir hissə) dəmir çirkliliyi ömrü 1000 mikrosaniyədən 10 mikrosaniyəyə qədər azalda bilər. - Disloqasiyalar/Boşluqlar: Kristal qüsurları daşıyıcıları tutur və onların ömrünü qısaldır.
(3) Səth və interfeys
- Üzvi yenidən birləşmə: Passivləşdirilməmiş silikon çip səthləri asılı bağlar ehtiva edir ki, bunlar yenidən birləşmə mərkəzi kimi xidmət edir (SiNx/Al₂O₃ passivləşdirmə qatları ilə boğula bilər).
- Oksid qatının yükü: SiO₂/Si interfeys yükləri interfeysin rekombinasyon sürətlərini artırır.
4. Ölçmə üsulları
| Metod | Prinsip | Tətbiq Ssenarisi |
|---|---|---|
| mikro-PCD | Mikrodalğa ilə aşkar olunan fotokonduktivlik zəifləməsi | Sürətli onlayn test (günəş silikon çipləri) |
| Kəsilmiş Səviyyə Səthi Sürüşmə Qarşısı | Yarı-sabit vəziyyətdə fotokonduktans ölçməklə azlıq daşıyıcılarının diffuziya uzunluğunu müəyyən etmə | Yüksək dəqiqlikli laboratoriya ölçümü |
| PL (Fotoluminesensiya) | Daşıyıcının rekombinə olması zamanı yayılan foton intensivliyindən ömrü təxmin edir. | Kontaktdan kənar, nazik film materialları üçün uyğundur |
| TRPL (Vaxt üzrə həll olunmuş fotoluminesans) | Fluoresansın sönmə müddətini ölçərək ömrünü birbaşa əldə edir. | Birbaşa band boşluğuna malik yarımkeçiricilər üçün (məsələn, GaAs) |
5. Praktiki nümunə: Kvarts boruların daşıyıcının ömrünə təsiri
- Çirklənmənin ötürülməsi: Yüksək temperaturlarda kvarts borusundakı Na⁺ silikon plitələrə nüfuz edib rekombinasyon mərkəzləri yaradır → ömrü azalır.
- Kristallaşma hissəcikləri: Kvarts borularda devitrifikasiya (kristobalit əmələgəlməsi) hissəciklərin ayrılmasına və wafer səthlərinə yapışmasına səbəb ola bilər → səthi yenidən birləşmə sürətinin artması.
Həll: Ultra yüksək saflıqlı sintetik kvarts borulardan (metal çirklər <0,1 ppm) istifadə edin və proses temperaturlarını nəzarətdə saxlayın.
6. Tipik sənaye istinad dəyərləri
- Fotovoltaik dərəcəli silikon vaferləri: 100 μs (yüksək səmərəliliyə malik PERC hüceyrələri >500 μs tələb edir).
- Yarımkeçirici dərəcəli silikon: 1 ms (inteqral sxemlər üçün yüksək müqavimətli silikon).
- SiC epitaxial qatlar: ~0.1–1 μs (geniş band boşluğu səbəbindən daha sürətli rekombinasyon).
Xülasə
Daşıyıcı ömrü yarımkeçirici materialların “sağlamlıq göstəricisi”dir. Onun dəyərinə əsas material, qatqılar, interfeyslər və proses mühiti birgə təsir göstərir. Kvarts boruların saflığını, flanş möhürləmə keyfiyyətini və digər kənar komponentləri optimallaşdırmaqla bu parametr dolayı yolla qoruna bilər və beləliklə cihazın performansı artırıla bilər.