Carrier lifetime
સેમિકન્ડક્ટર ભૌતિકશાસ્ત્રમાં એક વ્યાખ્યા, વાહક જીવનકાળને લઘુમતી વાહકને ફરીથી જોડવામાં લાગતા સરેરાશ સમય તરીકે વ્યાખ્યાયિત કરવામાં આવે છે. જે પ્રક્રિયા દ્વારા આ કરવામાં આવે છે તે સામાન્ય રીતે લઘુમતી વાહક પુનઃસંયોજન તરીકે ઓળખાય છે. પુનઃસંયોજનને કારણે મુક્ત થતી ઊર્જા થર્મલ હોઈ શકે છે, જેનાથી સેમિકન્ડક્ટરને ગરમ કરી શકાય છે (થર્મલ પુનઃસંયોજન અથવા બિન-કિરણોત્સર્ગી પુનઃસંયોજન, સેમિકન્ડક્ટર્સમાં નકામા ગરમીના સ્રોતોમાંથી એક), અથવા ફોટોન તરીકે મુક્ત થાય છે (ઓપ્ટિકલ પુનઃસંયોજન, એલઇડી અને સેમિકન્ડક્ટર લેસરોમાં વપરાય છે). સેમિકન્ડક્ટરની સામગ્રી અને બાંધકામના આધારે વાહકનું જીવનકાળ નોંધપાત્ર રીતે બદલાઈ શકે છે. વાહક જીવનકાળ દ્વિધ્રુવી ટ્રાન્ઝિસ્ટર અને સૌર કોષોમાં મહત્વપૂર્ણ ભૂમિકા ભજવે છે. પરોક્ષ બેન્ડ ગેપ સેમિકન્ડક્ટર્સમાં, વાહકનું જીવનકાળ પુનઃસંયોજન કેન્દ્રોની સાંદ્રતા પર ભારપૂર્વક આધાર રાખે છે. સોનાના અણુઓ અત્યંત કાર્યક્ષમ પુનઃસંયોજન કેન્દ્રો તરીકે કામ કરે છે, કેટલાક ઉચ્ચ સ્વિચિંગ સ્પીડ ડાયોડ માટે સિલિકોન અને તેથી ટ્રાન્ઝિસ્ટર થોડી માત્રામાં સોના સાથે મિશ્ર કરવામાં આવે છે. અન્ય ઘણા અણુઓ, દા. ત. આયર્ન અથવા નિકલ, સમાન અસર ધરાવે છે. ઝાંખી વ્યવહારુ ઉપયોગોમાં, સેમિકન્ડક્ટરનું ઇલેક્ટ્રોનિક બેન્ડ માળખું સામાન્ય રીતે બિન-સંતુલન સ્થિતિમાં જોવા મળે છે. તેથી, પ્રક્રિયાઓ કે જે થર્મલ સંતુલન તરફ વલણ ધરાવે છે, એટલે કે વાહક પુનઃસંયોજનની પદ્ધતિઓ, હંમેશા ભૂમિકા ભજવે છે. વધુમાં, ઉપકરણોમાં ઉપયોગમાં લેવાતા સેમિકન્ડક્ટર્સ ભાગ્યે જ શુદ્ધ સેમિકન્ડક્ટર્સ હોય છે. ઘણીવાર, ડોપન્ટનો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે, જે બેન્ડ માળખામાં વધુ ઇલેક્ટ્રોન (કહેવાતા એન-પ્રકારનાં ડોપિંગમાં) અથવા છિદ્રો (કહેવાતા પી-પ્રકારનાં ડોપિંગમાં) આપે છે. આ બહુમતી વાહક અને લઘુમતી વાહક રજૂ કરે છે. આના પરિણામે, ડોપન્ટ ધરાવતા ઘણા સેમિકન્ડક્ટર ઉપકરણોમાં વાહક જીવનકાળ મહત્વપૂર્ણ ભૂમિકા ભજવે છે. પુનઃસંયોજન પદ્ધતિઓ એવી ઘણી પદ્ધતિઓ છે જેના દ્વારા લઘુમતી વાહકો પુનઃસંયોજન કરી શકે છે, જેમાંથી દરેક વાહકના જીવનકાળમાંથી બાદ કરે છે. આધુનિક ઉપકરણોમાં ભૂમિકા ભજવતી મુખ્ય પદ્ધતિઓ બેન્ડ-ટુ-બેન્ડ પુનઃસંયોજન અને ઉત્તેજિત ઉત્સર્જન છે, જે કિરણોત્સર્ગી પુનઃસંયોજનના સ્વરૂપો છે, અને શોકલી-રીડ-હોલ (એસ. આર. એચ.), ઑગર, લેંગવિન અને સપાટી પુનઃસંયોજન, જે બિન-કિરણોત્સર્ગી પુનઃસંયોજનના સ્વરૂપો છે. સિસ્ટમ પર આધાર રાખીને, અમુક પદ્ધતિઓ અન્ય કરતા વધુ ભૂમિકા ભજવી શકે છે. ઉદાહરણ તરીકે, સપાટીનું પુનઃસંયોજન સૌર કોષોમાં નોંધપાત્ર ભૂમિકા ભજવે છે, જ્યાં બિન-કિરણોત્સર્ગી પુનઃસંયોજનને ઘટાડવા માટે મોટાભાગના પ્રયત્નો નિષ્ક્રિય સપાટીઓમાં જાય છે. તેનાથી વિપરીત, લેંગ્વિન પુનઃસંયોજન કાર્બનિક સૌર કોષોમાં મુખ્ય ભૂમિકા ભજવે છે, જ્યાં અર્ધવાહક ઓછી ગતિશીલતા દ્વારા વર્ગીકૃત થયેલ છે. આ પ્રણાલીઓમાં, વાહક જીવનકાળને મહત્તમ બનાવવો એ ઉપકરણની કાર્યક્ષમતાને મહત્તમ કરવાનો પર્યાય છે. સૌર કોષ એ એક વિદ્યુત ઉપકરણ છે જેમાં સેમિકન્ડક્ટર પ્રકાશના સંપર્કમાં આવે છે જે ફોટોવોલ્ટેઇક અસર દ્વારા વીજળીમાં રૂપાંતરિત થાય છે. ઇલેક્ટ્રોન કાં તો પ્રકાશના શોષણ દ્વારા ઉત્તેજિત થાય છે, અથવા જો સામગ્રીની બેન્ડ-ગેપ ઊર્જાને દૂર કરી શકાય છે, તો ઇલેક્ટ્રોન-હોલ જોડી બનાવવામાં આવે છે. સાથે સાથે, વોલ્ટેજ પોટેન્શિયલ બનાવવામાં આવે છે. સૌર કોષની અંદર ચાર્જ વાહકો કહેવાતા પોટેન્શિયલને રદ કરવા માટે સેમિકન્ડક્ટરમાંથી પસાર થાય છે, જે ઇલેક્ટ્રોનને ખસેડવા માટેનું વહેતું બળ છે. ઉપરાંત, ઇલેક્ટ્રોનને વધુ સાંદ્રતાથી ઇલેક્ટ્રોનની ઓછી સાંદ્રતામાં પ્રસરણ દ્વારા ખસેડવા માટે દબાણ કરી શકાય છે. સૌર કોષની કાર્યક્ષમતા વધારવા માટે, સૌર કોષના ઇલેક્ટ્રોડ પર શક્ય તેટલા ચાર્જ વાહક એકત્રિત કરવા ઇચ્છનીય છે. આમ, ઇલેક્ટ્રોનનું પુનઃસંયોજન (કાર્યક્ષમતાને પ્રભાવિત કરતા અન્ય પરિબળો વચ્ચે) ટાળવું જોઈએ. આ વાહકના જીવનકાળમાં વધારાને અનુરૂપ છે. સપાટીનું પુનઃસંયોજન સૌર કોષની ટોચ પર થાય છે, જે લાંબા સમય સુધી પ્રકાશના સંપર્કથી પ્રભાવિત ન થાય તે માટે મહાન સપાટી નિષ્ક્રિયતા ગુણધર્મો ધરાવતી સામગ્રીના સ્તરો રાખવાનું પ્રાધાન્ય આપે છે. વધુમાં, વિવિધ સેમિકન્ડક્ટર સામગ્રીને સ્તરિત કરવાની સમાન પદ્ધતિનો ઉપયોગ ઇલેક્ટ્રોનને પકડવાની સંભાવનાને ઘટાડવા માટે થાય છે, જેના પરિણામે ટ્રેપ-સહાયિત એસ. આર. એચ. પુનઃસંયોજનમાં ઘટાડો થાય છે અને વાહક જીવનકાળમાં વધારો થાય છે. પરોક્ષ બેન્ડગેપ માળખા સાથે સેમિકન્ડક્ટર સામગ્રી ધરાવતા સૌર કોષોમાં કિરણોત્સર્ગી (બેન્ડ-ટુ-બેન્ડ) પુનઃસંયોજન નગણ્ય છે. ઑગર પુનઃસંયોજન સૌર કોષો માટે મર્યાદિત પરિબળ તરીકે થાય છે જ્યારે વધારાના ઇલેક્ટ્રોનની સાંદ્રતા નીચા ડોપિંગ દરે મોટી થાય છે. નહિંતર, ડોપિંગ-આધારિત એસ. આર. એચ. પુનઃસંયોજન એ પ્રાથમિક પદ્ધતિઓમાંની એક છે જે સૌર કોષોમાં ઇલેક્ટ્રોનના વાહક જીવનને ઘટાડે છે. દ્વિધ્રુવી જંકશન ટ્રાન્ઝિસ્ટર દ્વિધ્રુવી જંકશન ટ્રાન્ઝિસ્ટર એ ટ્રાન્ઝિસ્ટરનો એક પ્રકાર છે જે ચાર્જ વાહક તરીકે ઇલેક્ટ્રોન અને ઇલેક્ટ્રોન છિદ્રોનો ઉપયોગ કરવામાં સક્ષમ છે. બીજેટી તેની સર્કિટમાં સામગ્રીના એક સ્ફટિકનો ઉપયોગ કરે છે જે બે પ્રકારના સેમિકન્ડક્ટરમાં વહેંચાયેલું છે, એન-પ્રકાર અને પી-પ્રકાર. આ બે પ્રકારના ડોપ્ડ સેમિકન્ડક્ટર્સ સંબંધિત ક્રમમાં ત્રણ જુદા જુદા પ્રદેશોમાં ફેલાયેલા છેઃ ઉત્સર્જક પ્રદેશ, આધાર પ્રદેશ અને સંગ્રાહક પ્રદેશ. ઉત્સર્જક પ્રદેશ અને સંગ્રાહક પ્રદેશને માત્રાત્મક રીતે અલગ રીતે ડોપ કરવામાં આવે છે, પરંતુ તે એક જ પ્રકારના ડોપિંગના હોય છે અને બેઝ પ્રદેશને શેર કરે છે, તેથી જ સિસ્ટમ એકબીજા સાથે શ્રેણીમાં જોડાયેલા બે ડાયોડથી અલગ છે. પી. એન. પી.-ટ્રાન્ઝિસ્ટર માટે, આ પ્રદેશો અનુક્રમે પી-પ્રકાર, એન-પ્રકાર અને પી-પ્રકાર છે, અને એન. પી. એન.-ટ્રાન્ઝિસ્ટર માટે, આ પ્રદેશો અનુક્રમે એન-પ્રકાર, પી-પ્રકાર અને એન-પ્રકાર છે. લાક્ષણિક આગળ-સક્રિય કામગીરીમાં એન. પી. એન.-ટ્રાન્ઝિસ્ટર માટે, ઉત્સર્જકમાંથી બેઝ પ્રદેશમાં પ્રથમ જંકશન દ્વારા ચાર્જ કેરિયર્સનું ઈન્જેક્શન આપવામાં આવે છે, ઇલેક્ટ્રોન એ ચાર્જ કેરિયર્સ છે જે બેઝ પ્રદેશમાંથી કલેક્ટર પ્રદેશ તરફ ફેલાય છે. આ પાયાના પ્રદેશના લઘુમતી વાહક છે. તેવી જ રીતે, પી. એન. પી.-ટ્રાન્ઝિસ્ટર માટે, ઇલેક્ટ્રોનિક છિદ્રો આધાર ક્ષેત્રના લઘુમતી વાહક છે. આ લઘુમતી વાહકોનું વાહક જીવન આધાર પ્રદેશમાં લઘુમતી વાહકોના ચાર્જ પ્રવાહમાં નિર્ણાયક ભૂમિકા ભજવે છે, જે બે જંકશન વચ્ચે જોવા મળે છે. બી. જે. ટી. ની કામગીરીની રીતના આધારે, પુનઃસંયોજનને કાં તો પસંદ કરવામાં આવે છે, અથવા આધાર પ્રદેશમાં ટાળવામાં આવે છે. ખાસ કરીને, ઉપરોક્ત ફોરવર્ડ-એક્ટિવ મોડ ઓફ ઓપરેશન માટે, પુનઃસંયોજન પ્રાધાન્યક્ષમ નથી. આમ, આ પુનઃસંયોજન પહેલાં આધાર પ્રદેશમાંથી સંગ્રહ પ્રદેશમાં શક્ય તેટલા લઘુમતી વાહકોને મેળવવા માટે, આધાર પ્રદેશની પહોળાઈ એટલી નાની હોવી જોઈએ કે લઘુમતી વાહકો અર્ધચાલકના લઘુમતી વાહક જીવનકાળ કરતાં ઓછા સમયમાં ફેલાઈ શકે. તેવી જ રીતે, આધાર વિસ્તારની પહોળાઈ પ્રસરણ લંબાઈ કરતાં નાની હોવી જોઈએ, જે ચાર્જ વાહક પુનઃસંયોજન કરતા પહેલા મુસાફરી કરે છે તે સરેરાશ લંબાઈ છે. વધુમાં, પુનઃસંયોજનના ઊંચા દરને રોકવા માટે, ઉત્સર્જક અને સંગ્રાહક ક્ષેત્રના સંદર્ભમાં આધારને માત્ર હળવો ડોપ કરવામાં આવે છે. આના પરિણામે, ચાર્જ કેરિયર્સ પાસે બેઝ પ્રદેશમાં રહેવાની ઉચ્ચ સંભાવના નથી, જે નીચલા-ઊર્જા સ્થિતિમાં ફરીથી જોડાય ત્યારે તેમના વ્યવસાયનું પ્રાધાન્ય ક્ષેત્ર છે. કામગીરીની અન્ય રીતો માટે, જેમ કે ઝડપી સ્વિચિંગ, ઉચ્ચ પુનઃસંયોજન દર (અને આમ ટૂંકા વાહક જીવનકાળ) ઇચ્છનીય છે. યોગ્ય વાહક જીવનકાળને સરળ બનાવવા માટે કામગીરીની ઇચ્છિત રીત અને ડોપ્ડ બેઝ ક્ષેત્રના સંકળાયેલ ગુણધર્મોને ધ્યાનમાં લેવા જોઈએ. હાલમાં, મોટાભાગના બીજેટીમાં સિલિકોન અને સિલિકોન કાર્બાઇડનો ઉપયોગ થાય છે. પુનઃસંયોજન પદ્ધતિઓ કે જેને આધાર પ્રદેશમાં ધ્યાનમાં લેવી આવશ્યક છે તે આધાર-ઉત્સર્જક જંક્શન નજીક સપાટીનું પુનઃસંયોજન, તેમજ આધાર પ્રદેશમાં એસ. આર. એચ.-અને ઑગર પુનઃસંયોજન છે. ખાસ કરીને, જ્યારે ઇન્જેક્ટેડ ચાર્જ કેરિયર્સની સંખ્યા વધે છે ત્યારે ઑગર પુનઃસંયોજન વધે છે, તેથી ઇન્જેક્શનની વધતી સંખ્યા સાથે વર્તમાન લાભની કાર્યક્ષમતામાં ઘટાડો થાય છે. સેમિકન્ડક્ટર લેસરોમાં, વાહક જીવનકાળ એ લેસર પોલાણમાં બિન-કિરણોત્સર્ગી પ્રક્રિયાઓ દ્વારા ફરીથી જોડાતા પહેલા ઇલેક્ટ્રોન લે છે. દર સમીકરણોના નમૂનાના માળખામાં, વાહક જીવનકાળનો ઉપયોગ ચાર્જ સંરક્ષણ સમીકરણમાં વાહકના ઘાતાંકીય ક્ષયના સમય અચળાંક તરીકે થાય છે. વાહક ઘનતા પર વાહક જીવનકાળની નિર્ભરતાને આ રીતે વ્યક્ત કરવામાં આવે છેઃ જ્યાં A, B અને C બિન-વિકિરણશીલ, વિકિરણશીલ અને ઑગર પુનઃસંયોજન ગુણાંક છે અને વાહક જીવનકાળ છે. માપન કારણ કે સેમિકન્ડક્ટર ઉપકરણની કાર્યક્ષમતા સામાન્ય રીતે તેના વાહક જીવનકાળ પર આધાર રાખે છે, તેથી આ જથ્થાને માપવામાં સક્ષમ બનવું મહત્વપૂર્ણ છે. જે પદ્ધતિ દ્વારા આ કરવામાં આવે છે તે ઉપકરણ પર આધાર રાખે છે, પરંતુ તે સામાન્ય રીતે વર્તમાન અને વોલ્ટેજને માપવા પર આધારિત હોય છે. સૌર કોષોમાં, વાહક જીવનકાળની ગણતરી કોષની સપાટીને પ્રકાશિત કરીને કરી શકાય છે, જે વાહક ઉત્પાદનને પ્રેરિત કરે છે અને જ્યાં સુધી તે સંતુલન સુધી ન પહોંચે ત્યાં સુધી વોલ્ટેજ વધારે છે, અને ત્યારબાદ પ્રકાશ સ્રોતને બંધ કરે છે. આ કારણે વોલ્ટેજ સતત દરે ક્ષીણ થાય છે. જે દરે વોલ્ટેજ ક્ષય થાય છે તે લઘુમતી વાહકોની સંખ્યા દ્વારા નક્કી થાય છે જે એકમ સમય દીઠ પુનઃસંયોજિત થાય છે, જેમાં પુનઃસંયોજિત વાહકોની વધુ માત્રા ઝડપી ક્ષયમાં પરિણમે છે. ત્યારબાદ, વાહકનું ઓછું આયુષ્ય વોલ્ટેજના ઝડપથી ક્ષયમાં પરિણમશે. આનો અર્થ એ છે કે સૌર કોષના વાહક જીવનકાળની ગણતરી તેના વોલ્ટેજ ક્ષય દરનો અભ્યાસ કરીને કરી શકાય છે. આ વાહક જીવનકાળને સામાન્ય રીતે આ રીતે વ્યક્ત કરવામાં આવે છેઃ બોલ્ટ્ઝમેન અચળાંક ક્યાં છે, q એ પ્રાથમિક ચાર્જ છે, T એ તાપમાન છે, અને તે ઓપન-સર્કિટ વોલ્ટેજનું સમય વ્યુત્પન્ન છે. દ્વિધ્રુવી જંકશન ટ્રાન્ઝિસ્ટર (BJT) માં, વાહક જીવનકાળ નક્કી કરવું વધુ જટિલ છે. એટલે કે, વ્યક્તિએ આઉટપુટ કંડક્ટન્સ અને રિવર્સ ટ્રાન્સકન્ડક્ટન્સને માપવું જોઈએ, જે બંને એવા ચલ છે જે BJT દ્વારા કરંટના વોલ્ટેજ અને પ્રવાહ પર આધાર રાખે છે, અને લઘુમતી વાહક પરિવહન સમયની ગણતરી કરવી જોઈએ, જે BJT ના અર્ધ-તટસ્થ આધાર (QNB) ની પહોળાઈ દ્વારા નક્કી થાય છે, અને પ્રસરણ ગુણાંક; એક અચળાંક જે BJT ની અંદર પરમાણુ સ્થળાંતરનું પ્રમાણ નક્કી કરે છે. આ વાહક જીવનકાળને આ રીતે વ્યક્ત કરવામાં આવે છેઃ અનુક્રમે આઉટપુટ કંડક્ટન્સ, રિવર્સ ટ્રાન્સકન્ડક્ટન્સ, ક્યુએનબીની પહોળાઈ અને પ્રસરણ ગુણાંક ક્યાં અને ક્યાં છે. વર્તમાન સંશોધન કારણ કે લાંબા વાહક જીવનકાળ ઘણીવાર વધુ કાર્યક્ષમ ઉપકરણનો પર્યાય છે, સંશોધન લઘુમતી વાહકોના પુનઃસંયોજનમાં ફાળો આપતી પ્રક્રિયાઓને ઘટાડવા પર ધ્યાન કેન્દ્રિત કરે છે. વ્યવહારમાં, આ સામાન્ય રીતે સેમિકન્ડક્ટર્સની અંદર માળખાકીય ખામીઓ ઘટાડવાનું સૂચવે છે, અથવા નવી પદ્ધતિઓ રજૂ કરે છે જે સમાન પુનઃસંયોજન પદ્ધતિઓથી પીડાતી નથી. સ્ફટિકીય સિલિકોન સૌર કોષોમાં, જે ખાસ કરીને સામાન્ય છે, એક મહત્વપૂર્ણ મર્યાદિત પરિબળ એ છે કે જ્યારે પારદર્શક વાહક ફિલ્મ લાગુ કરવામાં આવે છે ત્યારે કોષને માળખાકીય નુકસાન થાય છે. આ પ્રતિક્રિયાશીલ પ્લાઝ્મા જમા સાથે કરવામાં આવે છે, જે સ્પટર જમા થવાનું એક સ્વરૂપ છે. આ ફિલ્મ લાગુ કરવાની પ્રક્રિયામાં, સિલિકોન સ્તર પર ખામી દેખાય છે, જે વાહકના જીવનકાળને ઘટાડે છે. આ પ્રક્રિયા દરમિયાન થયેલા નુકસાનની માત્રાને ઘટાડવી એ સૌર કોષની કાર્યક્ષમતા વધારવા અને વર્તમાન સંશોધન પર ધ્યાન કેન્દ્રિત કરવા માટે મહત્વપૂર્ણ છે. હાલમાં મનપસંદ તકનીકોને શ્રેષ્ઠ બનાવવા માટેના સંશોધન ઉપરાંત, પેરોવ્સ્કાઇટ સોલર સેલ (પી. એસ. સી.) જેવી અન્ય, ઓછી ઉપયોગમાં લેવાતી તકનીકોને લગતા સંશોધનનો મોટો સોદો છે. આ સૌર કોષ તેની તુલનાત્મક રીતે સસ્તી અને સરળ ઉત્પાદન પ્રક્રિયાને કારણે વધુ યોગ્ય છે. આધુનિક પ્રગતિઓ સૂચવે છે કે આ સૌર કોષના વાહક જીવનકાળમાં સુધારો કરવા માટે હજુ પણ પૂરતો અવકાશ છે, તેની આસપાસના મોટાભાગના મુદ્દાઓ બાંધકામ સંબંધિત છે. સૌર કોષો ઉપરાંત, પેરોવ્સ્કાઇટ્સનો ઉપયોગ એલઇડી, લેસરો અને ટ્રાન્ઝિસ્ટર બનાવવા માટે થઈ શકે છે. આના પરિણામે, આધુનિક સંશોધનમાં લીડ અને હેલાઇડ પેરોવ્સ્કાઇટ્સ ખાસ રસ ધરાવે છે. વર્તમાન સમસ્યાઓમાં માળખાકીય ખામીઓનો સમાવેશ થાય છે જે સેમિકન્ડક્ટર ઉપકરણોને સામગ્રી સાથે બનાવવામાં આવે ત્યારે દેખાય છે, કારણ કે સ્ફટિકો સાથે સંકળાયેલ અવ્યવસ્થા ઘનતા તેમના વાહક જીવનકાળ માટે નુકસાનકારક છે. સંદર્ભો બાહ્ય કડીઓ વાહક આજીવન ચાર્જ વાહક