Трајање каријере је кључни параметар у физици полупроводника, који се користи за описивање просечног времена које нееквилибријални носиоци наелектрисања (електрони или рупе) преживе у материјалу пре рекомбинације. Његова вредност директно одражава квалитет и чистоћу полупроводничког материјала, као и потенцијалне перформансе уређаја. Испод је детаљно објашњење:
1. Основна дефиниција
Превозници:
Проводничке честице у полупроводницима, укључујући електроне (негативан набој) и рупе (позитиван набој). Када се узбуде светлошћу, електричном струјом или топлотом, електрони прелазе из валентног појаса у проводни појас, генеришући парове електрона и рупа (тј. носачи ван равнотеже).
Век трајања носиоца:
Просечно време од тренутка када се генеришу ови неравнотежни носиоци до њихове рекомбинације (електрони попуњавају рупе), мерено у микросекундама (μs) или милисекундама (ms). Што је већи век трајања, то је виши типичан квалитет материјала.
2. Зашто је то важно?
Учинак полупроводничког уређаја:
- Соларне ћелије: Што је дужи век трајања носиоца, то фотогенерисани парови електрона и рупа имају више прилика да их електроди сакупе, чиме се побољшава ефикасност конверзије.
- Моћни уређаји (нпр. IGBT, SiC MOSFET): Дужи радни век смањује губитке при пребацивању и побољшава способност подношења напона.
- Сензори/детектори: Утиче на брзину одговора и однос сигнала и шума.
Мониторинг процеса:
Смањење животног века може указивати на контаминацију материјала (као што су металне нечистоће), кристалне недостатке или оштећења у процесу (као што је прекомерна имплантација јона).
3. Фактори који утичу на век трајања носиоца
(1) Унутрашња својства материјала
- Ширина забрањене зоне (Eg): Материјали са широком забрањеном зоном (нпр. SiC, GaN) обично имају краће време трајања носача (наносекунде), док силицијум (Si) може да достигне милисекунде.
- Кристални квалитет: Монокристални силицијум има много дужи век трајања од поликристалног силицијума (због рекомбинације на међузрнатим границама).
(2) Нечистоће и недостаци
- Металне нечистоће (Fe, Cu итд.): Креирајте центре рекомбинације и убрзајте рекомбинацију носиоца.
Пример: У силицијуму само 1 ппб (један део на милијарду) гвожђане нечистоће може смањити трајање са 1000 μs на 10 μs. - Дислокације/празнине: Кристални дефекти заробљавају носиоце, скраћујући им век трајања.
(3) Површина и интерфејс
- Површинска рекомбинација: Непассивиране површине силицијумских плочица садрже висеће везе које служе као центри рекомбинације (могу се сузбити употребом SiNx/Al₂O₃ слојева за пассивацију).
- Напољење оксидног слоја: Напони на интерфејсу SiO₂/Si повећавају стопе рекомбинације на интерфејсу.
4. Методе мерења
| Метод | Начело | Сценарио примене |
|---|---|---|
| μ-ПЦД | Опадање фотопроводивости детектоване микроталасима | Брзо онлајн тестирање (соларне силицијумске плочице) |
| КССПЦ | Квазистационарно мерење фотопроводивости за одређивање дужине дифузије мањинских носиоца | Високопрецизно лабораторијско мерење |
| Фотолуминесценција | Извлачи трајање живота из интензитета фотона емитованих током рекомбинације носиоца. | Безконтактно, погодно за танкофилмске материјале |
| ТРПЛ (временски резолуирана ПЛ) | Мерење времена изумирања флуоресценције за директно добијање трајања живота | За полупроводнике са директном енергетском јазом (нпр. GaAs) |
5. Практичан пример: Како кварцне цеви утичу на век трајања носиоца
- Пренос контаминације: На високим температурама Na⁺ из кварцне цеви може да дифундира у силицијумске плочице, формирајући центре рекомбинације → смањено трајање.
- Кристализационе честице: Девитрификација (формација кристобалита) у кварцним цевима може изазвати одвајање честица и њихово приањање за површине плочица → повећана стопа површинске рекомбинације.
Решење: Користите синтетичке кварцне цеви ултра-високе чистоће (металне нечистоће <0,1 ppm) и контролишите температуре процеса.
6. Типичне индустријске референтне вредности
- фотоволтаички силицијумски плочићи: 100 μs (PERC ћелије високе ефикасности захтевају >500 μs).
- силицијум полупроводничког квалитета: 1 ms (силицијум високог електричног отпора за интегрисане кола).
- SiC епитаксијски слојеви: ~0,1–1 μс (брже рекомбиновање због природе широког енергетског појаса).
Сажетак
Век трајања носиоца је “индикатор здравља” полупроводничких материјала. Његову вредност заједнички утичу база материјала, нечистоће, интерфејси и процесна околина. Оптимизацијом чистоће кварчних цеви, квалитета заптивања фланци и других периферних компоненти, овај параметар се може индиректно очувати, чиме се побољшава перформанса уређаја.