Carrier lifetime
अर्धचालक भौतिकी में एक परिभाषा, वाहक जीवनकाल को उस औसत समय के रूप में परिभाषित किया गया है जो एक अल्पसंख्यक वाहक को पुनः संयोजित करने में लगता है। जिस प्रक्रिया के माध्यम से यह किया जाता है, उसे आमतौर पर अल्पसंख्यक वाहक पुनर्संयोजन के रूप में जाना जाता है। पुनर्संयोजन के कारण जारी ऊर्जा या तो तापीय हो सकती है, जिससे अर्धचालक (तापीय पुनर्संयोजन या गैर-विकिरण पुनर्संयोजन, अर्धचालकों में अपशिष्ट गर्मी के स्रोतों में से एक) को गर्म किया जा सकता है, या फोटॉन (ऑप्टिकल पुनर्संयोजन, एलईडी और अर्धचालक लेजर में उपयोग किया जाता है) के रूप में जारी किया जा सकता है। अर्धचालक की सामग्री और निर्माण के आधार पर वाहक का जीवनकाल काफी भिन्न हो सकता है। वाहक जीवनकाल द्विध्रुवीय ट्रांजिस्टर और सौर कोशिकाओं में एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है। अप्रत्यक्ष बैंड अंतराल अर्धचालकों में, वाहक का जीवनकाल पुनर्संयोजन केंद्रों की सांद्रता पर दृढ़ता से निर्भर करता है। सोने के परमाणु अत्यधिक कुशल पुनर्संयोजन केंद्रों के रूप में कार्य करते हैं, कुछ उच्च स्विचिंग गति डायोड के लिए सिलिकॉन और इसलिए ट्रांजिस्टर को थोड़ी मात्रा में सोने के साथ मिश्रित किया जाता है। कई अन्य परमाणु, जैसे। लोहा या निकल का समान प्रभाव होता है। अवलोकन व्यावहारिक अनुप्रयोगों में, एक अर्धचालक की इलेक्ट्रॉनिक बैंड संरचना आमतौर पर एक गैर-संतुलन अवस्था में पाई जाती है। इसलिए, वे प्रक्रियाएँ जो तापीय संतुलन की ओर बढ़ती हैं, अर्थात् वाहक पुनर्संयोजन के तंत्र, हमेशा एक भूमिका निभाते हैं। इसके अतिरिक्त, उपकरणों में उपयोग किए जाने वाले अर्धचालक बहुत कम ही शुद्ध अर्धचालक होते हैं। अक्सर, एक डोपेंट का उपयोग किया जाता है, जो बैंड संरचना के भीतर इलेक्ट्रॉनों (तथाकथित एन-प्रकार के डोपिंग में) या छेद (तथाकथित पी-प्रकार के डोपिंग में) की अधिकता देता है। यह एक बहुसंख्यक वाहक और एक अल्पसंख्यक वाहक का परिचय देता है। इसके परिणामस्वरूप, वाहक का जीवनकाल कई अर्धचालक उपकरणों में महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है जिनमें डोपेंट होते हैं। पुनर्संयोजन तंत्र कई तंत्र हैं जिनके द्वारा अल्पसंख्यक वाहक पुनर्संयोजन कर सकते हैं, जिनमें से प्रत्येक वाहक जीवनकाल से घटाता है। आधुनिक उपकरणों में भूमिका निभाने वाले मुख्य तंत्र बैंड-टू-बैंड पुनर्संयोजन और उत्तेजित उत्सर्जन हैं, जो विकिरण पुनर्संयोजन के रूप हैं, और शॉकली-रीड-हॉल (एस. आर. एच.), ऑगर, लैंगविन और सतह पुनर्संयोजन, जो गैर-विकिरण पुनर्संयोजन के रूप हैं। प्रणाली के आधार पर, कुछ तंत्र दूसरों की तुलना में अधिक भूमिका निभा सकते हैं। उदाहरण के लिए, सतह पुनर्संयोजन सौर कोशिकाओं में एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है, जहां अधिकांश प्रयास गैर-विकिरण पुनर्संयोजन को कम करने के लिए निष्क्रिय सतहों में जाता है। इसके विपरीत, लैंगविन पुनर्संयोजन कार्बनिक सौर कोशिकाओं में एक प्रमुख भूमिका निभाता है, जहां अर्धचालकों की कम गतिशीलता होती है। इन प्रणालियों में, वाहक जीवनकाल को अधिकतम करना उपकरण की दक्षता को अधिकतम करने का पर्याय है। अनुप्रयोग सौर सेल एक विद्युत उपकरण है जिसमें एक अर्धचालक प्रकाश के संपर्क में आता है जिसे फोटोवोल्टिक प्रभाव के माध्यम से बिजली में परिवर्तित किया जाता है। इलेक्ट्रॉन या तो प्रकाश के अवशोषण के माध्यम से उत्तेजित होते हैं, या यदि सामग्री की बैंड-गैप ऊर्जा को कम किया जा सकता है, तो इलेक्ट्रॉन-छेद जोड़े बनाए जाते हैं। साथ ही, एक वोल्टेज क्षमता बनाई जाती है। सौर सेल के भीतर चार्ज वाहक अर्धचालक के माध्यम से आगे बढ़ते हैं ताकि उक्त क्षमता को रद्द किया जा सके, जो कि बहने वाला बल है जो इलेक्ट्रॉनों को स्थानांतरित करता है। इसके अलावा, इलेक्ट्रॉनों को उच्च सांद्रता से इलेक्ट्रॉनों की कम सांद्रता में प्रसार द्वारा स्थानांतरित करने के लिए मजबूर किया जा सकता है। सौर सेल की दक्षता को अधिकतम करने के लिए, सौर सेल के इलेक्ट्रोड पर अधिक से अधिक चार्ज वाहक एकत्र करना वांछनीय है। इस प्रकार, इलेक्ट्रॉनों के पुनर्संयोजन (दक्षता को प्रभावित करने वाले अन्य कारकों के बीच) से बचा जाना चाहिए। यह वाहक के जीवनकाल में वृद्धि के अनुरूप है। सतह का पुनर्संयोजन सौर कोशिका के शीर्ष पर होता है, जिससे ऐसी सामग्री की परतों का होना बेहतर होता है जिसमें सतह के निष्क्रिय होने के गुण होते हैं ताकि लंबे समय तक प्रकाश के संपर्क में आने से प्रभावित न हों। इसके अतिरिक्त, विभिन्न अर्धचालक सामग्रियों को स्तरित करने की एक ही विधि का उपयोग इलेक्ट्रॉनों को पकड़ने की संभावना को कम करने के लिए किया जाता है, जिसके परिणामस्वरूप ट्रैप-सहायता प्राप्त एस. आर. एच. पुनर्संयोजन में कमी आती है, और वाहक जीवनकाल में वृद्धि होती है। रेडिएटिव (बैंड-टू-बैंड) पुनर्संयोजन उन सौर कोशिकाओं में नगण्य है जिनमें अप्रत्यक्ष बैंडगैप संरचना के साथ अर्धचालक सामग्री होती है। ऑगर पुनर्संयोजन सौर कोशिकाओं के लिए एक सीमित कारक के रूप में होता है जब कम डोपिंग दर पर अतिरिक्त इलेक्ट्रॉनों की सांद्रता बड़ी हो जाती है। अन्यथा, डोपिंग-निर्भर एस. आर. एच. पुनर्संयोजन प्राथमिक तंत्रों में से एक है जो सौर कोशिकाओं में इलेक्ट्रॉनों के वाहक जीवन को कम करता है। द्विध्रुवीय जंक्शन ट्रांजिस्टर एक द्विध्रुवीय जंक्शन ट्रांजिस्टर एक प्रकार का ट्रांजिस्टर है जो आवेश वाहक के रूप में इलेक्ट्रॉनों और इलेक्ट्रॉन छिद्रों का उपयोग करने में सक्षम है। एक बीजेटी अपने परिपथ में सामग्री के एकल क्रिस्टल का उपयोग करता है जिसे दो प्रकार के अर्धचालक, एक एन-प्रकार और पी-प्रकार में विभाजित किया जाता है। ये दो प्रकार के डोप्ड अर्धचालक संबंधित क्रम में तीन अलग-अलग क्षेत्रों में फैले हुए हैंः उत्सर्जक क्षेत्र, आधार क्षेत्र और संग्राहक क्षेत्र। उत्सर्जक क्षेत्र और संग्राहक क्षेत्र को मात्रात्मक रूप से अलग-अलग डोप किया जाता है, लेकिन एक ही प्रकार के डोपिंग के होते हैं और एक आधार क्षेत्र साझा करते हैं, यही कारण है कि प्रणाली एक दूसरे के साथ श्रृंखला में जुड़े दो डायोड से अलग है। पीएनपी-ट्रांजिस्टर के लिए, ये क्षेत्र क्रमशः पी-प्रकार, एन-प्रकार और पी-प्रकार हैं, और एनपीएन-ट्रांजिस्टर के लिए, ये क्षेत्र क्रमशः एन-प्रकार, पी-प्रकार और एन-प्रकार हैं। विशिष्ट अग्र-सक्रिय संचालन में एन. पी. एन.-ट्रांजिस्टरों के लिए, उत्सर्जक से आधार क्षेत्र में पहले जंक्शन के माध्यम से चार्ज वाहकों का एक इंजेक्शन दिया जाता है, इलेक्ट्रॉन वे चार्ज वाहक होते हैं जिन्हें आधार क्षेत्र के माध्यम से संग्राहक क्षेत्र की ओर फैलाया जाता है। ये आधार क्षेत्र के अल्पसंख्यक वाहक हैं। समान रूप से, पी. एन. पी.-ट्रांजिस्टर के लिए, इलेक्ट्रॉनिक छेद आधार क्षेत्र के अल्पसंख्यक वाहक हैं। इन अल्पसंख्यक वाहकों का वाहक जीवन आधार क्षेत्र में अल्पसंख्यक वाहकों के आवेश प्रवाह में महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है, जो दो जंक्शनों के बीच पाया जाता है। बीजेटी के संचालन के तरीके के आधार पर, पुनर्संयोजन को या तो प्राथमिकता दी जाती है, या आधार क्षेत्र में इससे बचा जाना चाहिए। विशेष रूप से, ऑपरेशन के उपरोक्त आगे-सक्रिय मोड के लिए, पुनर्संयोजन बेहतर नहीं है। इस प्रकार, इन पुनर्संयोजन से पहले आधार क्षेत्र से संग्रह क्षेत्र में अधिक से अधिक अल्पसंख्यक वाहक प्राप्त करने के लिए, आधार क्षेत्र की चौड़ाई इतनी कम होनी चाहिए कि अल्पसंख्यक वाहक अर्धचालक के अल्पसंख्यक वाहक जीवनकाल की तुलना में कम समय में फैल सकें। समान रूप से, आधार क्षेत्र की चौड़ाई प्रसार लंबाई से छोटी होनी चाहिए, जो कि एक चार्ज वाहक द्वारा पुनः संयोजन से पहले यात्रा की जाने वाली औसत लंबाई है। इसके अतिरिक्त, पुनर्संयोजन की उच्च दरों को रोकने के लिए, उत्सर्जक और संग्राहक क्षेत्र के संबंध में आधार को केवल हल्का डोप किया जाता है। इसके परिणामस्वरूप, आवेश वाहकों के आधार क्षेत्र में रहने की उच्च संभावना नहीं होती है, जो कि निम्न-ऊर्जा अवस्था में पुनः संयोजन करते समय उनके व्यवसाय का बेहतर क्षेत्र है। ऑपरेशन के अन्य तरीकों के लिए, जैसे कि तेज स्विचिंग के लिए, एक उच्च पुनर्संयोजन दर (और इस प्रकार एक छोटा वाहक जीवनकाल) वांछनीय है। उचित वाहक जीवनकाल को सुविधाजनक बनाने के लिए संचालन के वांछित तरीके और डोप्ड आधार क्षेत्र के संबंधित गुणों पर विचार किया जाना चाहिए। वर्तमान में, सिलिकॉन और सिलिकॉन कार्बाइड अधिकांश बीजेटी में उपयोग की जाने वाली सामग्री हैं। आधार क्षेत्र में जिन पुनर्संयोजन तंत्रों पर विचार किया जाना चाहिए, वे हैं आधार-उत्सर्जक जंक्शन के पास सतह पुनर्संयोजन, साथ ही आधार क्षेत्र में एस. आर. एच.-और ऑगर पुनर्संयोजन। विशेष रूप से, ऑगर पुनर्संयोजन तब बढ़ता है जब इंजेक्शन चार्ज वाहकों की मात्रा बढ़ती है, इसलिए इंजेक्शन की बढ़ती संख्या के साथ वर्तमान लाभ की दक्षता कम हो जाती है। अर्धचालक लेजर अर्धचालक लेजर में, वाहक जीवनकाल वह समय है जो लेजर गुहा में गैर-विकिरण प्रक्रियाओं के माध्यम से पुनः संयोजन से पहले एक इलेक्ट्रॉन लेता है। दर समीकरण मॉडल के ढांचे में, वाहक जीवनकाल का उपयोग आवेश संरक्षण समीकरण में वाहक के घातीय क्षय के समय स्थिरांक के रूप में किया जाता है। वाहक घनत्व पर वाहक जीवनकाल की निर्भरता को इस प्रकार व्यक्त किया जाता हैः जहां ए, बी और सी गैर-विकिरणशील, विकिरणशील और ऑगर पुनर्संयोजन गुणांक हैं और वाहक जीवनकाल है। मापन चूंकि एक अर्धचालक उपकरण की दक्षता आम तौर पर उसके वाहक जीवनकाल पर निर्भर करती है, इसलिए इस मात्रा को मापने में सक्षम होना महत्वपूर्ण है। जिस विधि से यह किया जाता है वह उपकरण पर निर्भर करता है, लेकिन आमतौर पर धारा और वोल्टेज को मापने पर निर्भर करता है। सौर कोशिकाओं में, वाहक जीवनकाल की गणना कोशिका की सतह को रोशन करके की जा सकती है, जो वाहक उत्पादन को प्रेरित करता है और वोल्टेज को बढ़ाता है जब तक कि यह एक संतुलन तक नहीं पहुंच जाता है, और बाद में प्रकाश स्रोत को बंद कर देता है। यह वोल्टेज को एक सुसंगत दर पर क्षय करने का कारण बनता है। जिस दर पर वोल्टेज क्षय होता है वह अल्पसंख्यक वाहकों की मात्रा से निर्धारित होता है जो प्रति इकाई समय में पुनः संयोजन करते हैं, जिसमें पुनः संयोजन वाहकों की उच्च मात्रा होती है जिसके परिणामस्वरूप तेजी से क्षय होता है। इसके बाद, एक कम वाहक जीवनकाल के परिणामस्वरूप वोल्टेज का तेजी से क्षय होगा। इसका मतलब है कि सौर सेल के वाहक जीवनकाल की गणना इसकी वोल्टेज क्षय दर का अध्ययन करके की जा सकती है। इस वाहक जीवनकाल को आम तौर पर इस प्रकार व्यक्त किया जाता हैः बोल्ट्ज़मैन स्थिरांक कहाँ है, q प्राथमिक आवेश है, T तापमान है, और ओपन-सर्किट वोल्टेज का समय व्युत्पन्न है। द्विध्रुवीय जंक्शन ट्रांजिस्टर (बीजेटी) में, वाहक जीवनकाल का निर्धारण करना अधिक जटिल है। अर्थात्, किसी को आउटपुट चालकता और रिवर्स ट्रांसकंडक्टेंस को मापना चाहिए, जो दोनों चर हैं जो बीजेटी के माध्यम से करंट के वोल्टेज और प्रवाह पर निर्भर करते हैं, और अल्पसंख्यक वाहक पारगमन समय की गणना करते हैं, जो बीजेटी के अर्ध-तटस्थ आधार (क्यूएनबी) की चौड़ाई से निर्धारित होता है, और प्रसार गुणांक; एक स्थिरांक जो बीजेटी के भीतर परमाणु प्रवास की मात्रा निर्धारित करता है। इस वाहक जीवनकाल को इस प्रकार व्यक्त किया जाता हैः जहां और क्रमशः उत्पादन चालकता, विपरीत पार-चालकता, क्यू. एन. बी. की चौड़ाई और प्रसार गुणांक हैं। वर्तमान अनुसंधान क्योंकि एक लंबा वाहक जीवनकाल अक्सर एक अधिक कुशल उपकरण का पर्याय होता है, अनुसंधान उन प्रक्रियाओं को कम करने पर ध्यान केंद्रित करता है जो अल्पसंख्यक वाहकों के पुनर्संयोजन में योगदान करते हैं। व्यवहार में, इसका तात्पर्य आम तौर पर अर्धचालकों के भीतर संरचनात्मक दोषों को कम करना, या नए तरीकों को पेश करना है जो समान पुनर्संयोजन तंत्र से पीड़ित नहीं हैं। क्रिस्टलीय सिलिकॉन सौर कोशिकाओं में, जो विशेष रूप से आम हैं, एक महत्वपूर्ण सीमित कारक कोशिका को संरचनात्मक क्षति है जब पारदर्शी संचालन फिल्म लागू की जाती है। यह प्रतिक्रियाशील प्लाज्मा निक्षेपण के साथ किया जाता है, जो स्पटर निक्षेपण का एक रूप है। इस फिल्म को लगाने की प्रक्रिया में, सिलिकॉन परत पर दोष दिखाई देते हैं, जो वाहक के जीवनकाल को कम करता है। इस प्रक्रिया के दौरान हुए नुकसान की मात्रा को कम करना इसलिए सौर सेल की दक्षता बढ़ाने और वर्तमान अनुसंधान पर ध्यान केंद्रित करने के लिए महत्वपूर्ण है। वर्तमान में पसंदीदा प्रौद्योगिकियों को अनुकूलित करने का प्रयास करने वाले अनुसंधान के अलावा, पेरोव्स्काइट सौर सेल (पी. एस. सी.) जैसी अन्य, कम उपयोग की जाने वाली प्रौद्योगिकियों के आसपास बहुत सारे शोध हैं। यह सौर सेल अपनी तुलनात्मक रूप से सस्ती और सरल निर्माण प्रक्रिया के कारण बेहतर है। आधुनिक प्रगति से पता चलता है कि इस सौर सेल के वाहक जीवन में सुधार के लिए अभी भी पर्याप्त गुंजाइश है, इसके आसपास के अधिकांश मुद्दे निर्माण से संबंधित हैं। सौर कोशिकाओं के अलावा, पेरोव्स्काइट्स का उपयोग एल. ई. डी., लेजर और ट्रांजिस्टर के निर्माण के लिए किया जा सकता है। इसके परिणामस्वरूप, सीसा और हैलाइड पेरोव्स्काइट्स आधुनिक अनुसंधान में विशेष रुचि रखते हैं। वर्तमान समस्याओं में संरचनात्मक दोष शामिल हैं जो तब दिखाई देते हैं जब अर्धचालक उपकरणों को सामग्री के साथ निर्मित किया जाता है, क्योंकि क्रिस्टल से जुड़ा विस्थापन घनत्व उनके वाहक जीवनकाल के लिए एक नुकसान है। संदर्भ बाहरी लिंक वाहक आजीवन प्रभार वाहक