Век на траење на носачот е клучен параметар во физиката на полуспроводници, кој се користи за опишување на просечното време што нерамнотежните носители (електрони или дупки) опстојуваат во материјалот пред рекомбинација. Неговата вредност директно ја одразува квалитетот и чистотата на полуспроводничкиот материјал, како и потенцијалните перформанси на уредите. Подолу следува детално објаснување:
1. Основна дефиниција
Превозници:
Проводливи честички во полупроводници, вклучувајќи електрони (со негативен полнеж) и дупки (со позитивен полнеж). Кога се возбудени со светлина, електрична енергија или топлина, електроните преминуваат од валентниот појас во проводниот појас, создавајќи парови електрон-дупка (т.е. носачи во неравнотежа).
Времетраење на кариерата:
Просечното време од моментот кога овие неравнотежни носители се генерираат до нивното рекомбинирање (електрони што ги пополнуваат дупките), измерено во микросекунди (μs) или милисекунди (ms). Колку е подолг животниот век, толку е повисок типичниот квалитет на материјалот.
2. Зошто е важно?
Перформанси на полупроводнички уред:
- Соларни ќелии: Колку подолг е животниот век на носачот, толку повеќе можности имаат фотогенерираните парови електрон-дупка да бидат собрани од електроди, што ја подобрува ефикасноста на конверзија.
- Моќни уреди (на пр., IGBT, SiC MOSFET): Подолгиот работен век ги намалува загубите при префрлување и ја подобрува способноста за издржување на напон.
- Сензори/Детектори: Влијае на брзината на одговор и на соодносот сигнал-шум.
Мониторинг на процеси:
Намалувањето на животниот век може да укажува на материјална контаминација (како метални нечистотии), кристални дефекти или оштетување на процесот (како прекумерна имплантација на јони).
3. Фактори што влијаат на траењето на кариерата
(1) Внатрешни својства на материјалот
- Ширина на забранетата зона (Eg): Материјалите со широк забранет појас (на пр., SiC, GaN) обично имаат пократок животен век на носителите (наносекунди), додека силициумот (Si) може да достигне милисекунди.
- Кристален квалитет: Еднокристалниот силициум има многу подолг век на траење од поликристалниот силициум (поради рекомбинација на меѓурничните граници).
(2) Нечистотии и дефекти
- Метални нечистотии (Fe, Cu, итн.): Создадете центри за рекомбинација и забрзајте ја рекомбинацијата на носителите.
Пример: Во силициум, само 1 ppb (еден дел на милијарда) железна нечистота може да го намали траењето од 1000 μs на 10 μs. - Дислокации/празни места: Кристалните дефекти ги заробуваат носителите, скратувајќи го нивниот животен век.
(3) Површина и интерфејс
- Површинска рекомбинација: Површините на силициумските вефери без пасивација содржат висечки врски кои служат како центри за рекомбинација (можат да се потиснат со SiNx/Al₂O₃ слоеви за пасивација).
- Набој на оксидниот слој: Набоите на интерфејсот SiO₂/Si ги зголемуваат стапките на рекомбинација на интерфејсот.
4. Методи на мерење
| Метод | Принцип | Сценарио за апликација |
|---|---|---|
| μ-ПЦД | Опаѓање на фотопроводливоста детектирано со микробранова печка | Брзо онлајн тестирање (соларни силициумски плочки) |
| КССПЦ | Квазистационарно мерење на фотопроводливоста за одредување на должината на дифузија на малцинските носители | Високопрецизно лабораториско мерење |
| ФЛ (Фотолуминесценција) | Извлекува траење на животниот век од интензитетот на фотони емитувани за време на рекомбинацијата на носителите. | Безконтактно, погодно за материјали со тенок слој |
| ТРПЛ (Временски резолуирана ПЛ) | Го мери времето на опаѓање на флуоресценцијата за директно да се добие траењето. | За полупроводници со директен енергетски јаз (на пр., GaAs) |
5. Практичен пример: Како кварцните цевки влијаат на животниот век на носачот
- Пренос на контаминација: При високи температури, Na⁺ од кварцната цевка може да дифузира во силиконските плочки, формирајќи центри за рекомбинација → намален животен век.
- Кристализациски честички: Девитрификацијата (формирање на кристобалит) во кварцни цевки може да предизвика честичките да се одвојат и да се залепат за површините на ваферите → зголемена стапка на површинска рекомбинација.
Решение: Користете синтетички кварцни цевки со ултрависока чистота (метални нечистотии <0,1 ppm) и контролирајте ги температурите на процесот.
6. Типични индустриски референтни вредности
- Ваферi од силициум за фотоволтаична употреба: 100 μs (високоефикасните PERC ќелии бараат >500 μs).
- Кристален силициум: 1 мс (силикон со висока отпорност за интегрирани кола).
- SiC епитаксијални слоеви: ~0,1–1 μс (побрза рекомбинација поради природата со широк забранет појас).
Резиме
Времето на живеење на носителите е “индикатор за здравјето” на полуспроводничките материјали. Неговата вредност е заеднички под влијание на основниот материјал, нечистотиите, интерфејсите и процесната околина. Со оптимизирање на чистотата на кварцните цевки, квалитетот на запечатувањето на фланците и други периферни компоненти, овој параметар може индиректно да се зачува, со што се подобруваат перформансите на уредот.