Životnost nosiče je klíčový parametr ve fyzice polovodičů, který se používá k popisu průměrné doby, po kterou v materiálu přežívají nerovnovážné nosiče (elektrony nebo díry) před rekombinací. Jeho hodnota přímo odráží kvalitu a čistotu polovodičového materiálu a také potenciální výkon zařízení. Níže je uvedeno podrobné vysvětlení:
1. Základní definice
Nosiče:
Vodivé částice v polovodičích, včetně elektronů (záporný náboj) a děr (kladný náboj). Při excitaci světlem, elektřinou nebo teplem přecházejí elektrony z valenčního pásu do pásu vodivosti a vytvářejí páry elektron-díra (tj. nerovnovážné nosiče).
Životnost nosiče:
Průměrná doba od vzniku těchto nerovnovážných nosičů do jejich rekombinace (elektrony zaplní díry), měřená v mikrosekundách (μs) nebo milisekundách (ms). Čím delší je doba života, tím vyšší je typická kvalita materiálu.
2. Proč je to důležité?
Výkon polovodičových zařízení:
- Solární články: Čím delší je doba života nosičů, tím více příležitostí mají fotogenerované páry elektron-díra k zachycení elektrodami, což zvyšuje účinnost konverze.
- Napájecí zařízení (např. IGBT, SiC MOSFET): Vyšší životnost snižuje spínací ztráty a zlepšuje napěťovou odolnost.
- Senzory/detektory: Ovlivňuje rychlost odezvy a odstup signálu od šumu.
Monitorování procesů:
Snížení životnosti může indikovat znečištění materiálu (např. kovovými nečistotami), vady krystalu nebo poškození procesu (např. nadměrnou iontovou implantaci).
3. Faktory ovlivňující životnost nosiče
(1) Vnitřní vlastnosti materiálu
- Šířka pásma (Eg): Širokopásmové materiály (např. SiC, GaN) mají obecně kratší dobu života nosičů (nanosekundy), zatímco křemík (Si) může dosahovat až milisekund.
- Kvalita křišťálu: Monokrystalický křemík má mnohem delší životnost než polykrystalický křemík (v důsledku rekombinace na hranicích zrn).
(2) Nečistoty a vady
- Kovové nečistoty (Fe, Cu atd.): Vytvoření rekombinačních center a urychlení rekombinace nosičů.
Příklad: V křemíku může pouhý 1 ppb (jedna část na miliardu) příměsi železa snížit dobu života z 1000 μs na 10 μs. - Dislokace/volná místa: Krystalové defekty zachycují nosiče a zkracují jejich životnost.
(3) Povrch a rozhraní
- Povrchová rekombinace: Nepasivovaný povrch křemíkových destiček obsahuje visící vazby, které slouží jako rekombinační centra (lze je potlačit použitím pasivačních vrstev SiNx/Al₂O₃).
- Náboj oxidové vrstvy: Náboje na rozhraní SiO₂/Si zvyšují rychlost rekombinace na rozhraní.
4. Metody měření
| Metoda | Princip | Scénář aplikace |
|---|---|---|
| μ-PCD | Rozpad fotovodivosti detekovaný mikrovlnami | Rychlé online testování (solární křemíkové destičky) |
| QSSPC | Kvaziustálený stav fotovodivosti při měření délky difuze minoritních nosičů | Vysoce přesné laboratorní měření |
| PL (fotoluminiscence) | Odvozuje dobu života z intenzity fotonů emitovaných při rekombinaci nosičů. | Bezkontaktní, vhodné pro tenkovrstvé materiály |
| TRPL (časově rozlišený PL) | Měření doby rozpadu fluorescence k přímému získání doby života | U polovodičů s přímým pásmem (např. GaAs) |
5. Praktický případ: Jak křemenné trubice ovlivňují životnost nosiče
- Přenos kontaminace: Při vysokých teplotách může Na⁺ z křemenné trubice difundovat do křemíkových destiček a vytvářet rekombinační centra → snížení životnosti.
- Krystalizační částice: Devitrifikace (tvorba cristobalitu) v křemenných trubicích může způsobit, že se částice oddělí a přilnou k povrchu destiček → zvýšená míra povrchové rekombinace.
Řešení: Používejte syntetické křemenné trubice s velmi vysokou čistotou (kovové nečistoty <0,1 ppm) a kontrolujte procesní teploty.
6. Typické průmyslové referenční hodnoty
- Křemíkové destičky pro fotovoltaiku: >100 μs (vysoce účinné PERC články vyžadují >500 μs).
- Křemík pro polovodiče: >1 ms (křemík s vysokou rezistivitou pro integrované obvody).
- SiC epitaxní vrstvy: ~0,1-1 μs (rychlejší rekombinace díky širokému pásmu).
Souhrn
Životnost nosičů je “ukazatelem zdraví” polovodičových materiálů. Její hodnota je společně ovlivňována základním materiálem, nečistotami, rozhraními a procesním prostředím. Optimalizací čistoty křemenných trubic, kvality těsnění přírub a dalších periferních komponent lze tento parametr nepřímo zachovat, a tím zvýšit výkon zařízení.