Una definición en física de semiconductores , la vida útil de un portador se define como el tiempo promedio que tarda un portador minoritario en recombinarse . El proceso a través del cual se hace esto se conoce típicamente como recombinación de portadores minoritarios .
La energía liberada debido a la recombinación puede ser térmica, calentando así el semiconductor ( recombinación térmica o recombinación no radiativa , una de las fuentes de calor residual en los semiconductores ), o liberada como fotones ( recombinación óptica , utilizada en LED y láseres semiconductores). ). La vida útil del portador puede variar significativamente según los materiales y la construcción del semiconductor.
La vida útil del portador juega un papel importante en los transistores bipolares y las células solares .
En semiconductores de banda prohibida indirecta , la vida útil de la portadora depende en gran medida de la concentración de centros de recombinación. Los átomos de oro actúan como centros de recombinación altamente eficientes; por lo tanto, el silicio para algunos diodos y transistores de alta velocidad de conmutación se alea con una pequeña cantidad de oro. Muchos otros átomos, como el hierro o el níquel, tienen un efecto similar. [1]
Descripción general
En aplicaciones prácticas, la estructura de banda electrónica de un semiconductor se encuentra típicamente en un estado de no equilibrio. Por lo tanto, los procesos que tienden al equilibrio térmico, es decir, los mecanismos de recombinación de portadores, siempre juegan un papel.
Además, los semiconductores utilizados en los dispositivos rara vez son semiconductores puros . A menudo, se usa un dopante , dando un exceso de electrones (en el llamado dopaje de tipo n ) o huecos (en el llamado dopaje de tipo p ) dentro de la estructura de la banda. Esto introduce una portadora mayoritaria y una portadora minoritaria. Como resultado de esto, la vida útil de la portadora juega un papel vital en muchos dispositivos semiconductores que tienen dopantes.
Mecanismos de recombinación
Existen varios mecanismos mediante los cuales los portadores minoritarios pueden recombinarse, cada uno de los cuales se resta de la vida útil del portador. Los principales mecanismos que juegan un papel en los dispositivos modernos son la recombinación banda a banda y la emisión estimulada, que son formas de recombinación radiativa, y Shockley-Read-Hall (SRH), Auger, Langevin y la recombinación de superficie, que son formas de recombinación no radiativa.
Dependiendo del sistema, ciertos mecanismos pueden jugar un papel más importante que otros. [2] Por ejemplo, la recombinación de superficies juega un papel importante en las células solares, donde gran parte del esfuerzo se destina a la pasivación de superficies para minimizar la recombinación no radiativa. [3] A diferencia de esto, la recombinación de Langevin juega un papel importante en las células solares orgánicas , donde los semiconductores se caracterizan por una baja movilidad. [4] En estos sistemas, maximizar la vida útil del operador es sinónimo de maximizar la eficiencia del dispositivo. [5]
Aplicaciones
Células solares
Una célula solar es un dispositivo eléctrico en el que un semiconductor se expone a luz (artificial) que se convierte en electricidad a través del efecto fotovoltaico . Los electrones se excitan a través de la absorción de luz, o si la energía de banda prohibida del material se puede unir, se crean pares de electrones y huecos . Simultáneamente, se crea un potencial de voltaje. Los portadores de carga dentro de la celda solar se mueven a través del semiconductor para cancelar dicho potencial, que es la fuerza de deriva que mueve los electrones. Además, los electrones pueden verse obligados a moverse por difusión desde una concentración más alta a una concentración más baja de electrones.
Para maximizar la eficiencia de la célula solar, es deseable tener tantos portadores de carga como sea posible recogidos en los electrodos de la célula solar. Por tanto, debe evitarse la recombinación de electrones (entre otros factores que influyen en la eficiencia). Esto corresponde a un aumento de la vida útil del portador. La recombinación de la superficie ocurre en la parte superior de la celda solar, lo que hace que sea preferible tener capas de material que tengan grandes propiedades de pasivación de la superficie para no verse afectado por la exposición a la luz durante períodos de tiempo más prolongados. [6] Además, el mismo método de capas de diferentes materiales semiconductores se utiliza para reducir la probabilidad de captura de los electrones, lo que da como resultado una disminución en la recombinación SRH asistida por trampa y un aumento en la vida útil del portador. La recombinación radiativa (banda a banda) es insignificante en las células solares que tienen materiales semiconductores con estructura de banda prohibida indirecta. La recombinación Auger se produce como un factor limitante para las células solares cuando la concentración de electrones en exceso aumenta a tasas de dopaje bajas. De lo contrario, la recombinación de SRH dependiente del dopaje es uno de los principales mecanismos que reduce la vida útil del portador de electrones en las células solares. [7]
Transistores de unión bipolar
Un transistor de unión bipolar es un tipo de transistor que puede utilizar electrones y huecos de electrones como portadores de carga. Un BJT utiliza un solo cristal de material en su circuito que se divide en dos tipos de semiconductores, un tipo ny uno tipo p. Estos dos tipos de semiconductores dopados se distribuyen en tres regiones diferentes en orden respectivo: la región emisora, la región base y la región colectora. La región del emisor y la región del colector se dopan cuantitativamente de manera diferente, pero son del mismo tipo de dopaje y comparten una región de base, por lo que el sistema es diferente de dos diodos conectados en serie entre sí. Para un transistor PNP, estas regiones son, respectivamente, tipo p, tipo ny tipo p, y para un transistor NPN, estas regiones son, respectivamente, tipo n, tipo p y tipo n.
Para los transistores NPN en funcionamiento típico activo hacia adelante , dada una inyección de portadores de carga a través de la primera unión desde el emisor hacia la región de la base, los electrones son los portadores de carga que se transportan de forma difusa a través de la región de la base hacia la región del colector. Estos son los portadores minoritarios de la región base. De manera análoga, para los transistores PNP, los agujeros electrónicos son los portadores minoritarios de la región base.
La vida útil de la portadora de estas portadoras minoritarias juega un papel crucial en el flujo de carga de las portadoras minoritarias en la región base, que se encuentra entre las dos uniones. Dependiendo del modo de funcionamiento del BJT, se prefiere la recombinación o se debe evitar en la región base.
En particular, para el modo de funcionamiento activo directo mencionado anteriormente, no es preferible la recombinación. Por lo tanto, para obtener tantos portadores minoritarios como sea posible desde la región base a la región colectora antes de que estos se recombinen, el ancho de la región base debe ser lo suficientemente pequeño como para que los portadores minoritarios puedan difundirse en una cantidad de tiempo menor que la del semiconductor. vida portadora minoritaria. De manera equivalente, el ancho de la región de la base debe ser menor que la longitud de difusión, que es la longitud promedio que recorre un portador de carga antes de recombinarse. Además, para evitar altas tasas de recombinación, la base solo se dopa ligeramente con respecto a la región emisora y recolectora. Como resultado de esto, los portadores de carga no tienen una alta probabilidad de permanecer en la región base, que es su región de ocupación preferida cuando se recombinan en un estado de menor energía.
Para otros modos de funcionamiento, como el de conmutación rápida, es deseable una alta tasa de recombinación (y por tanto una corta vida útil de la portadora). El modo de funcionamiento deseado y las propiedades asociadas de la región base dopada deben considerarse para facilitar la vida útil apropiada del portador. Actualmente, el silicio y el carburo de silicio son los materiales utilizados en la mayoría de los BJT. [8] Los mecanismos de recombinación que deben considerarse en la región de la base son la recombinación de superficie cerca de la unión base-emisor, así como la recombinación de SRH y Auger en la región de la base. Específicamente, la recombinación Auger aumenta cuando aumenta la cantidad de portadores de carga inyectados, lo que disminuye la eficiencia de la ganancia de corriente con el aumento del número de inyecciones.
Láseres semiconductores
En los láseres semiconductores, la vida útil del portador es el tiempo que tarda un electrón en recombinarse mediante procesos no radiativos en la cavidad del láser. En el marco del modelo de ecuaciones de velocidad , la vida útil de la portadora se usa en la ecuación de conservación de carga como la constante de tiempo de la caída exponencial de las portadoras.
La dependencia de la vida útil del portador de la densidad del portador se expresa como: [9]
donde A, B y C son los coeficientes de recombinación no radiativos, radiativos y de Auger y es la vida útil del portador.
Medición
Debido a que la eficiencia de un dispositivo semiconductor generalmente depende de la vida útil de su portadora, es importante poder medir esta cantidad. El método por el cual se hace esto depende del dispositivo, pero generalmente depende de la medición de la corriente y el voltaje .
En las células solares, la vida útil del portador se puede calcular iluminando la superficie de la celda, lo que induce la generación del portador y aumenta el voltaje hasta que alcanza un equilibrio, y posteriormente apagando la fuente de luz. Esto hace que el voltaje decaiga a un ritmo constante. La velocidad a la que decae el voltaje está determinada por la cantidad de portadores minoritarios que se recombinan por unidad de tiempo, con una mayor cantidad de portadores recombinantes resultando en un decaimiento más rápido. Posteriormente, una menor vida útil de la portadora dará como resultado una caída más rápida del voltaje. Esto significa que la vida útil del portador de una celda solar se puede calcular mediante el estudio de su tasa de caída de voltaje. [10] La duración de esta portadora se expresa generalmente como: [11]
dónde es la constante de Boltzmann , q es la carga elemental , T es la temperatura yes la derivada del tiempo del voltaje de circuito abierto .
En los transistores de unión bipolar (BJT), determinar la vida útil de la portadora es bastante más complicado. Es decir, se debe medir la conductancia de salida y la transconductancia inversa , ambas variables que dependen del voltaje y el flujo de corriente a través del BJT, y calcular el tiempo de tránsito de la portadora minoritaria, que está determinado por el ancho de la base cuasi neutral. (QNB) del BJT, y el coeficiente de difusión; una constante que cuantifica la migración atómica dentro del BJT. [12] La duración de esta portadora se expresa como: [13]
dónde y son la conductancia de salida, la transconductancia inversa, el ancho del QNB y el coeficiente de difusión, respectivamente.
La investigación actual
Debido a que una vida útil más larga de los portadores a menudo es sinónimo de un dispositivo más eficiente, la investigación tiende a centrarse en minimizar los procesos que contribuyen a la recombinación de portadores minoritarios. En la práctica, esto generalmente implica reducir los defectos estructurales dentro de los semiconductores o introducir nuevos métodos que no adolecen de los mismos mecanismos de recombinación.
En las células solares de silicio cristalino , que son particularmente comunes, un factor limitante importante es el daño estructural causado a la célula cuando se aplica la película conductora transparente . Esto se hace con deposición de plasma reactivo , una forma de deposición por pulverización catódica . En el proceso de aplicación de esta película, aparecen defectos en la capa de silicio, lo que degrada la vida útil del portador. [14] Por lo tanto, reducir la cantidad de daño causado durante este proceso es importante para aumentar la eficiencia de la celda solar, y es un foco de investigación actual. [15]
Además de la investigación que busca optimizar las tecnologías favorecidas actualmente, hay una gran cantidad de investigación en torno a otras tecnologías menos utilizadas, como la celda solar de Perovskita (PSC). Esta celda solar es preferible debido a su proceso de fabricación relativamente barato y simple. Los avances modernos sugieren que todavía hay un amplio margen para mejorar la vida útil del portador de esta celda solar, y la mayoría de los problemas que la rodean están relacionados con la construcción. [dieciséis]
Además de las células solares, las perovskitas se pueden utilizar para fabricar LED, láseres y transistores. Como resultado de esto, las perovskitas de plomo y haluro son de particular interés en la investigación moderna. Los problemas actuales incluyen los defectos estructurales que aparecen cuando los dispositivos semiconductores se fabrican con el material, ya que la densidad de dislocación asociada con los cristales va en detrimento de la vida útil de su portador. [17]
Referencias
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enlaces externos
- Carrier Lifetime