Kandjate eluiga on oluline parameeter pooljuhtide füüsikas, mida kasutatakse kirjeldamaks keskmist aega, mille jooksul tasakaaluvälised kandjad (elektronid või augud) jäävad materjalis enne rekombinatsiooni ellu. Selle väärtus peegeldab otseselt pooljuhtmaterjali kvaliteeti ja puhtust ning seadmete võimalikku jõudlust. Allpool on üksikasjalik selgitus:
1. Põhimääratlus
Kandjad:
Juhtivad osakesed pooljuhtides, sealhulgas elektronid (negatiivne laeng) ja augud (positiivne laeng). Valguse, elektri või soojuse mõjul ergastatud elektronid lähevad valentssoonest üle juhtivsoonesse, tekitades elektron-aukpaare (st tasakaaluväliseid kandjaid).
Kandjate eluiga:
Keskmine aeg, mis kulub nende mittetasakaaluliste kandjate tekkimisest kuni nende rekombinatsioonini (elektronid täidavad augud), mõõdetuna mikrosekundites (μs) või millisekundites (ms). Mida pikem on eluiga, seda kõrgem on materjali tüüpiline kvaliteet.
2. Miks on see oluline?
Pooljuhtseadmete jõudlus:
- Päikesepatareid: Mida pikem on kandja eluiga, seda rohkem võimalusi on elektroodidel koguda fotogeenseid elektron-aukpaare, mis parandab muundamise tõhusust.
- Toiteallikad (nt IGBT, SiC MOSFET): Suurem eluiga vähendab lülituskadusid ja parandab pingetaluvust.
- Andurid/andurid: Mõjutab reageerimiskiirust ja signaali-müra suhet.
Protsessi jälgimine:
Eluea vähenemine võib viidata materjali saastumisele (nt metallilisandid), kristallide defektidele või protsessikahjustustele (nt liigne ioonimplantatsioon).
3. Veduri kasutusiga mõjutavad tegurid
(1) Materjali olemuslikud omadused
- Ribalõhe laius (Eg): Laia vahega materjalidel (nt SiC, GaN) on üldiselt lühem kandjate eluiga (nanosekundid), samas kui räni (Si) võib ulatuda millisekunditeni.
- Kristallkvaliteet: Ühekristallilise räni eluiga on palju pikem kui polükristallilise räni oma (terapiarinde rekombinatsiooni tõttu).
(2) Lisandid ja defektid
- Metallide lisandid (Fe, Cu jne): Luua rekombinatsioonikeskused ja kiirendada kandjate rekombinatsiooni.
Näide: Räni puhul võib vaid 1 ppb (üks osa miljardi kohta) raua lisandi sisaldus vähendada eluiga 1000 μs-st 10 μs-i. - Ümberpaigutused / vabad töökohad: Kristallidefektid püüavad kandjaid, lühendades nende eluiga.
(3) Pind ja liides
- Pinna rekombinatsioon: Passiivimata ränikettapinnad sisaldavad rippuvaid sidemeid, mis toimivad rekombinatsioonikeskustena (neid saab vähendada SiNx/Al₂O₃-passiivikihi abil).
- Oksiidikihi laeng: SiO₂/Si liidese laengud suurendavad liidese rekombinatsiooni kiirust.
4. Mõõtmismeetodid
| Meetod | Põhimõte | Rakendusstsenaarium |
|---|---|---|
| μ-PCD | Mikrolaine abil tuvastatud fotojuhtivuse lagunemine | Kiirtestimine internetis (ränikioksiidplaadid) |
| QSSPC | Kvaasistatsionaarses olekus fotojuhtivuse mõõtmine vähemus-kandjate difusiooni pikkusega | Kõrge täpsusega laboratoorsed mõõtmised |
| PL (fotoluminestsents) | Arvutab eluiga kandjate rekombinatsiooni ajal emiteeritud fotoonide intensiivsuse põhjal. | Mittekontaktne, sobib õhukese kilega materjalidele |
| TRPL (ajaliselt lahendatud PL) | Mõõdab fluorestsentsi lagunemise aega, et saada otse eluiga | Otsese ribalõhega pooljuhtide puhul (nt GaAs) |
5. Praktiline juhtum: kuidas kvartstorud mõjutavad kanduri eluiga
- Saastuse ülekandmine: Kõrgetel temperatuuridel võib Na⁺ kvartstorust difundeeruda ränikildudesse, moodustades rekombinatsioonikeskusi → vähendatud eluiga.
- Kristalliseerunud osakesi: Devitrifikatsioon (kristobaliidi moodustumine) kvartstorudes võib põhjustada osakeste eraldumist ja kinnitumist vahvli pinnale → suurenenud pinna rekombinatsiooni kiirus.
Lahendus: Kasutage ülipuhtaid sünteetilisi kvartstorusid (metallilised lisandid <0,1 ppm) ja kontrollige protsessi temperatuuri.
6. Tööstuse tüüpilised kontrollväärtused
- Fotogalvaanilised räniplaadid: >100 μs (suure kasuteguriga PERC-elemendid vajavad >500 μs).
- Pooljuhtide kvaliteediga räni: >1 ms (kõrge resistentsusega räni integraallülituste jaoks).
- SiC epitaksilised kihid: ~0,1-1 μs (kiirem rekombinatsioon tänu laiale vahekaugusele).
Kokkuvõte
Kandjate eluiga on pooljuhtmaterjalide “tervisenäitaja”. Selle väärtust mõjutavad ühiselt põhimaterjal, lisandid, liideseid ja töötlemiskeskkonda. Optimeerides kvartstorude puhtust, ääriku tihendamise kvaliteeti ja muid perifeerseid komponente, saab seda parameetrit kaudselt säilitada, suurendades seeläbi seadme jõudlust.