Carrier lifetime
سیمی کنڈکٹر فزکس میں ایک تعریف، کیریئر لائف ٹائم کی تعریف اس اوسط وقت کے طور پر کی گئی ہے جو اقلیتی کیریئر کو دوبارہ جوڑنے میں لگتا ہے۔ جس عمل کے ذریعے یہ کیا جاتا ہے اسے عام طور پر اقلیتی کیریئر ریکومبینیشن کے نام سے جانا جاتا ہے۔ ریکومبینیشن کی وجہ سے خارج ہونے والی توانائی یا تو تھرمل ہو سکتی ہے، اس طرح سیمی کنڈکٹر کو گرم کیا جا سکتا ہے (تھرمل ریکومبینیشن یا نان ریڈی ایٹو ریکومبینیشن، سیمی کنڈکٹر میں فضلہ گرمی کے ذرائع میں سے ایک)، یا فوٹون کے طور پر جاری کیا جا سکتا ہے (آپٹیکل ریکومبینیشن، ایل ای ڈی اور سیمی کنڈکٹر لیزرز میں استعمال ہوتا ہے)۔ سیمی کنڈکٹر کے مواد اور تعمیر کے لحاظ سے کیریئر کی زندگی نمایاں طور پر مختلف ہو سکتی ہے۔ کیریئر لائف ٹائم دو قطبی ٹرانجسٹرز اور شمسی خلیوں میں اہم کردار ادا کرتا ہے۔ بالواسطہ بینڈ گیپ سیمی کنڈکٹرز میں، کیریئر کی زندگی کا انحصار مضبوطی سے ریکومبینیشن مراکز کے ارتکاز پر ہوتا ہے۔ سونے کے ایٹم انتہائی موثر ریکومبینیشن مراکز کے طور پر کام کرتے ہیں، کچھ ہائی سوئچنگ سپیڈ ڈایڈس کے لیے سلکان اور اس لیے ٹرانجسٹرز کو تھوڑی مقدار میں سونے کے ساتھ ملایا جاتا ہے۔ بہت سے دوسرے ایٹم، جیسے۔ لوہے یا نکل کا بھی اسی طرح کا اثر ہوتا ہے۔ جائزہ عملی ایپلی کیشنز میں، سیمی کنڈکٹر کا الیکٹرانک بینڈ ڈھانچہ عام طور پر غیر توازن کی حالت میں پایا جاتا ہے۔ لہذا، وہ عمل جو تھرمل توازن کی طرف مائل ہوتے ہیں، یعنی کیریئر ریکومبینیشن کے میکانزم، ہمیشہ ایک کردار ادا کرتے ہیں۔ مزید برآں، آلات میں استعمال ہونے والے سیمی کنڈکٹر بہت کم ہی خالص سیمی کنڈکٹر ہوتے ہیں۔ اکثر اوقات، ایک ڈوپینٹ استعمال کیا جاتا ہے، جس سے بینڈ کے ڈھانچے کے اندر الیکٹرانوں (نام نہاد این-ٹائپ ڈوپنگ میں) یا سوراخ (نام نہاد پی-ٹائپ ڈوپنگ میں) کی زیادتی ہوتی ہے۔ اس سے اکثریتی کیریئر اور اقلیتی کیریئر متعارف ہوتا ہے۔ اس کے نتیجے میں، کیریئر کی زندگی بہت سے سیمی کنڈکٹر آلات میں اہم کردار ادا کرتی ہے جن میں ڈوپینٹ ہوتے ہیں۔ ریکومبینیشن میکانزم کئی میکانزم ہیں جن کے ذریعے اقلیتی کیریئرز دوبارہ مل سکتے ہیں، جن میں سے ہر ایک کیریئر کی زندگی سے گھٹ جاتا ہے۔ جدید آلات میں اہم میکانزم جو کردار ادا کرتے ہیں وہ بینڈ ٹو بینڈ ریکومبینیشن اور محرک اخراج ہیں، جو تابکاری ریکومبینیشن کی شکلیں ہیں، اور شاکلی ریڈ ہال (ایس آر ایچ)، آگر، لینجین، اور سطح ریکومبینیشن، جو غیر تابکاری ریکومبینیشن کی شکلیں ہیں۔ نظام پر منحصر ہے، بعض میکانزم دوسروں کے مقابلے میں زیادہ کردار ادا کر سکتے ہیں۔ مثال کے طور پر، سطح کا دوبارہ ملاپ شمسی خلیوں میں ایک اہم کردار ادا کرتا ہے، جہاں زیادہ تر کوشش غیر تابکار دوبارہ ملاپ کو کم کرنے کے لیے غیر فعال سطحوں میں جاتی ہے۔ اس کے برعکس، لینجین ریکومبینیشن نامیاتی شمسی خلیوں میں ایک اہم کردار ادا کرتا ہے، جہاں سیمی کنڈکٹر کم نقل و حرکت کی خصوصیت رکھتے ہیں۔ ان نظاموں میں، کیریئر کی زندگی کو زیادہ سے زیادہ کرنا آلہ کی کارکردگی کو زیادہ سے زیادہ کرنے کا مترادف ہے۔ شمسی سیل ایک برقی آلہ ہے جس میں ایک سیمی کنڈکٹر روشنی کے سامنے آتا ہے جسے فوٹو وولٹک اثر کے ذریعے بجلی میں تبدیل کیا جاتا ہے۔ الیکٹران یا تو روشنی کے جذب کے ذریعے پرجوش ہوتے ہیں، یا اگر مادے کی بینڈ گیپ توانائی کو کم کیا جا سکتا ہے، تو الیکٹران ہول کے جوڑے بن جاتے ہیں۔ بیک وقت، ایک وولٹیج پوٹینشل پیدا ہوتا ہے۔ شمسی سیل کے اندر چارج کیریئر سیمی کنڈکٹر کے ذریعے حرکت کرتے ہیں تاکہ اس پوٹینشل کو منسوخ کیا جا سکے، جو کہ بہتی ہوئی قوت ہے جو الیکٹرانوں کو حرکت دیتی ہے۔ نیز، الیکٹرانوں کو الیکٹرانوں کے زیادہ ارتکاز سے کم ارتکاز کی طرف پھیلا کر منتقل ہونے پر مجبور کیا جا سکتا ہے۔ شمسی سیل کی کارکردگی کو زیادہ سے زیادہ کرنے کے لیے، شمسی سیل کے الیکٹروڈ پر زیادہ سے زیادہ چارج کیریئر جمع کرنا ضروری ہے۔ اس طرح الیکٹرانوں کے دوبارہ امتزاج (کارکردگی کو متاثر کرنے والے دیگر عوامل کے درمیان) سے گریز کرنا چاہیے۔ یہ کیریئر کی زندگی میں اضافے سے مطابقت رکھتا ہے۔ سطح کا دوبارہ ملاپ شمسی خلیے کے اوپری حصے میں ہوتا ہے، جس کی وجہ سے مواد کی ایسی تہوں کا ہونا بہتر ہوتا ہے جن میں سطح کی غیر فعال خصوصیات ہوتی ہیں تاکہ طویل عرصے تک روشنی کی نمائش سے متاثر نہ ہوں۔ مزید برآں، الیکٹرانوں کی گرفتاری کے امکان کو کم کرنے کے لیے مختلف سیمی کنڈکٹر مواد کو پرت کرنے کا ایک ہی طریقہ استعمال کیا جاتا ہے، جس کے نتیجے میں ٹریپ کی مدد سے ایس آر ایچ ریکومبینیشن میں کمی آتی ہے، اور کیریئر کی زندگی میں اضافہ ہوتا ہے۔ ریڈی ایٹو (بینڈ ٹو بینڈ) ریکومبینیشن شمسی خلیوں میں نہ ہونے کے برابر ہے جن میں بالواسطہ بینڈ گیپ ڈھانچے کے ساتھ سیمی کنڈکٹر مواد ہوتا ہے۔ اگر دوبارہ ملاپ شمسی خلیوں کے لیے ایک محدود عنصر کے طور پر ہوتا ہے جب اضافی الیکٹرانوں کا ارتکاز کم ڈوپنگ کی شرحوں پر بڑا ہوتا ہے۔ بصورت دیگر، ڈوپنگ پر منحصر ایس آر ایچ ریکومبینیشن ان بنیادی میکانزم میں سے ایک ہے جو شمسی خلیوں میں الیکٹرانوں کی کیریئر لائف ٹائم کو کم کرتا ہے۔ بائپولر جنکشن ٹرانجسٹر ایک بائپولر جنکشن ٹرانجسٹر ایک قسم کا ٹرانجسٹر ہے جو الیکٹرانوں اور الیکٹران ہولز کو چارج کیریئر کے طور پر استعمال کرنے کے قابل ہوتا ہے۔ بی جے ٹی اپنے سرکٹ میں مواد کا ایک واحد کرسٹل استعمال کرتا ہے جو سیمی کنڈکٹر کی دو اقسام میں تقسیم ہوتا ہے، ایک این-ٹائپ اور پی-ٹائپ۔ یہ دو قسم کے ڈوپڈ سیمی کنڈکٹر متعلقہ ترتیب میں تین مختلف علاقوں میں پھیلے ہوئے ہیں: ایمیٹر ریجن، بیس ریجن اور کلیکٹر ریجن۔ ایمیٹر ریجن اور کلیکٹر ریجن کو مقداری طور پر مختلف طریقے سے ڈوپ کیا جاتا ہے، لیکن یہ ایک ہی قسم کے ڈوپنگ کے ہوتے ہیں اور بیس ریجن کا اشتراک کرتے ہیں، یہی وجہ ہے کہ یہ نظام ایک دوسرے کے ساتھ سیریز میں جڑے دو ڈایڈس سے مختلف ہے۔ پی این پی-ٹرانجسٹر کے لیے، یہ علاقے بالترتیب پی-ٹائپ، این-ٹائپ اور پی-ٹائپ ہیں، اور این پی این-ٹرانجسٹر کے لیے، یہ علاقے بالترتیب، این-ٹائپ، پی-ٹائپ اور این-ٹائپ ہیں۔ عام فارورڈ ایکٹیو آپریشن میں این پی این ٹرانجسٹروں کے لیے، ایمیٹر سے بیس ریجن میں پہلے جنکشن کے ذریعے چارج کیریئرز کا انجکشن دیا جاتا ہے، الیکٹران وہ چارج کیریئر ہوتے ہیں جو بیس ریجن کے ذریعے کلیکٹر ریجن کی طرف مختلف طریقے سے منتقل ہوتے ہیں۔ یہ بیس ریجن کے اقلیتی کیریئر ہیں۔ اسی طرح، پی این پی ٹرانجسٹرز کے لیے، الیکٹرانک ہولز بیس ریجن کے اقلیتی کیریئر ہوتے ہیں۔ ان اقلیتی کیریئرز کی کیریئر لائف ٹائم بیس ریجن میں اقلیتی کیریئرز کے چارج فلو میں اہم کردار ادا کرتی ہے، جو دونوں جنکشنز کے درمیان پایا جاتا ہے۔ بی جے ٹی کے آپریشن کے طریقے پر منحصر ہے، ریکومبینیشن کو یا تو ترجیح دی جاتی ہے، یا بیس ریجن میں اس سے گریز کیا جاتا ہے۔ خاص طور پر، آپریشن کے مذکورہ بالا فارورڈ ایکٹیو موڈ کے لیے، ریکومبینیشن بہتر نہیں ہے۔ اس طرح، ان ریکومبائن سے پہلے بیس ریجن سے اکٹھا کرنے والے خطے میں زیادہ سے زیادہ اقلیتی کیریئر حاصل کرنے کے لیے، بیس ریجن کی چوڑائی اتنی چھوٹی ہونی چاہیے کہ اقلیتی کیریئر سیمی کنڈکٹر کی اقلیتی کیریئر لائف ٹائم سے کم وقت میں پھیل سکیں۔ اسی طرح، بیس ریجن کی چوڑائی پھیلاؤ کی لمبائی سے کم ہونی چاہیے، جو کہ اوسط لمبائی ہے جو چارج کیریئر دوبارہ جوڑنے سے پہلے سفر کرتا ہے۔ مزید برآں، دوبارہ ملاپ کی اعلی شرحوں کو روکنے کے لیے، ایمیٹر اور کلیکٹر کے علاقے کے حوالے سے بیس کو صرف ہلکے سے ڈوپ کیا جاتا ہے۔ اس کے نتیجے میں، چارج کیریئرز کے بیس ریجن میں رہنے کا زیادہ امکان نہیں ہوتا ہے، جو کہ کم توانائی کی حالت میں دوبارہ ملاپ کرتے وقت ان کے پیشے کا ترجیحی علاقہ ہے۔ آپریشن کے دیگر طریقوں کے لیے، جیسے کہ تیز رفتار تبدیلی، ایک اعلی ریکومبینیشن ریٹ (اور اس طرح ایک مختصر کیریئر لائف ٹائم) مطلوب ہے۔ مناسب کیریئر کی زندگی کو آسان بنانے کے لیے آپریشن کے مطلوبہ طریقے، اور ڈوپڈ بیس ریجن کی متعلقہ خصوصیات پر غور کیا جانا چاہیے۔ فی الحال، سلکان اور سلکان کاربائڈ زیادہ تر بی جے ٹی میں استعمال ہونے والے مواد ہیں۔ بیس ریجن میں جن ریکومبینیشن میکانزم پر غور کیا جانا چاہیے وہ بیس ایمیٹر جنکشن کے قریب سرفیس ریکومبینیشن کے ساتھ ساتھ بیس ریجن میں ایس آر ایچ اور آگر ریکومبینیشن ہیں۔ خاص طور پر، جب انجکشن شدہ چارج کیریئرز کی مقدار بڑھتی ہے تو آگر ریکومبینیشن میں اضافہ ہوتا ہے، اس لیے انجکشن کی بڑھتی ہوئی تعداد کے ساتھ موجودہ فائدہ کی کارکردگی میں کمی آتی ہے۔ سیمی کنڈکٹر لیزرز سیمی کنڈکٹر لیزرز میں، کیریئر لائف ٹائم وہ وقت ہوتا ہے جو لیزر کیوٹی میں غیر تابکار عمل کے ذریعے دوبارہ جوڑنے سے پہلے ایک الیکٹران کو لگتا ہے۔ شرح مساوات ماڈل کے فریم میں، کیریئر لائف ٹائم کو چارج کنزرویشن مساوات میں کیریئرز کے ایکسپونینشل ڈیک کے ٹائم کانسٹینٹ کے طور پر استعمال کیا جاتا ہے۔ کیریئر کی کثافت پر کیریئر کی زندگی کا انحصار اس طرح ظاہر کیا جاتا ہے: جہاں A، B اور C غیر تابکاری، تابکاری اور آگر ریکومبینیشن گتانک ہیں اور کیریئر کی زندگی ہے۔ پیمائش چونکہ سیمی کنڈکٹر ڈیوائس کی کارکردگی عام طور پر اس کی کیریئر لائف ٹائم پر منحصر ہوتی ہے، اس لیے اس مقدار کی پیمائش کرنے کے قابل ہونا ضروری ہے۔ جس طریقے سے یہ کیا جاتا ہے اس کا انحصار ڈیوائس پر ہوتا ہے، لیکن عام طور پر کرنٹ اور وولٹیج کی پیمائش پر منحصر ہوتا ہے۔ شمسی خلیوں میں، کیریئر کی زندگی کا حساب سیل کی سطح کو روشن کرکے کیا جا سکتا ہے، جو کیریئر کی پیداوار کو متاثر کرتا ہے اور وولٹیج کو بڑھاتا ہے جب تک کہ یہ توازن تک نہ پہنچ جائے، اور اس کے بعد روشنی کے منبع کو بند کر دیتا ہے۔ اس کی وجہ سے وولٹیج مستقل شرح سے ختم ہو جاتا ہے۔ وہ شرح جس پر وولٹیج کی کمی کا تعین اقلیتی کیریئرز کی مقدار سے ہوتا ہے جو فی یونٹ وقت میں دوبارہ مل جاتے ہیں، جس میں ریکومبائننگ کیریئرز کی زیادہ مقدار ہوتی ہے جس کے نتیجے میں تیزی سے کمی واقع ہوتی ہے۔ اس کے بعد، کم کیریئر لائف ٹائم کے نتیجے میں وولٹیج تیزی سے ختم ہو جائے گا۔ اس کا مطلب یہ ہے کہ شمسی خلیے کی کیریئر لائف ٹائم کا حساب اس کے وولٹیج کے گرنے کی شرح کا مطالعہ کرکے لگایا جا سکتا ہے۔ اس کیریئر کی زندگی کا اظہار عام طور پر اس طرح کیا جاتا ہے: جہاں بولٹزمین مستقل ہے، q ابتدائی چارج ہے، T درجہ حرارت ہے، اور اوپن سرکٹ وولٹیج کا وقت مشتق ہے۔ دو قطبی جنکشن ٹرانجسٹرز (بی جے ٹیز) میں، کیریئر کی زندگی کا تعین کرنا زیادہ پیچیدہ ہے۔ یعنی، کسی کو آؤٹ پٹ کنڈکٹنس اور ریورس ٹرانس کنڈکٹنس کی پیمائش کرنی چاہیے، یہ دونوں ایسے متغیر ہیں جو بی جے ٹی کے ذریعے کرنٹ کے وولٹیج اور بہاؤ پر منحصر ہیں، اور اقلیتی کیریئر ٹرانزٹ ٹائم کا حساب لگائیں، جس کا تعین بی جے ٹی کے نیم غیر جانبدار بیس (کیو این بی) کی چوڑائی سے ہوتا ہے، اور پھیلاؤ گتانک ؛ ایک مستقل جو بی جے ٹی کے اندر جوہری منتقلی کی مقدار طے کرتا ہے۔ اس کیریئر کی زندگی کا اظہار اس طرح کیا جاتا ہے: آؤٹ پٹ کنڈکٹنس، ریورس ٹرانس کنڈکٹنس، کیو این بی کی چوڑائی اور پھیلاؤ گتانک بالترتیب کہاں اور کہاں ہیں۔ موجودہ تحقیق کیونکہ کیریئر کی طویل عمر اکثر زیادہ موثر ڈیوائس کا مترادف ہوتی ہے، تحقیق ان عملوں کو کم کرنے پر توجہ مرکوز کرتی ہے جو اقلیتی کیریئرز کے دوبارہ امتزاج میں معاون ہوتے ہیں۔ عملی طور پر، اس کا مطلب عام طور پر سیمی کنڈکٹرز کے اندر ساختی نقائص کو کم کرنا، یا نئے طریقے متعارف کرانا ہے جو ایک ہی ریکومبینیشن میکانزم سے متاثر نہیں ہوتے ہیں۔ کرسٹل سلکان شمسی خلیوں میں، جو خاص طور پر عام ہیں، ایک اہم محدود عنصر یہ ہے کہ جب شفاف کنڈکٹنگ فلم لگائی جاتی ہے تو سیل کو ساختی نقصان ہوتا ہے۔ یہ رد عمل والے پلازما کے جمع ہونے کے ساتھ کیا جاتا ہے، جو سپٹر کے جمع ہونے کی ایک شکل ہے۔ اس فلم کو لگانے کے عمل میں، سلکان کی پرت پر نقائص ظاہر ہوتے ہیں، جو کیریئر کی زندگی کو خراب کرتا ہے۔ اس عمل کے دوران ہونے والے نقصان کی مقدار کو کم کرنا اس لیے شمسی خلیے کی کارکردگی کو بڑھانے اور موجودہ تحقیق پر توجہ مرکوز کرنے کے لیے اہم ہے۔ تحقیق کے علاوہ جو فی الحال پسندیدہ ٹیکنالوجیز کو بہتر بنانے کی کوشش کرتی ہے، پیرووسائٹ سولر سیل (پی ایس سی) جیسی دیگر، کم استعمال شدہ ٹیکنالوجیز کے ارد گرد بہت زیادہ تحقیق موجود ہے۔ یہ شمسی سیل اپنے نسبتا سستے اور سادہ مینوفیکچرنگ کے عمل کی وجہ سے بہتر ہے۔ جدید ترقیوں سے پتہ چلتا ہے کہ اس شمسی خلیے کی کیریئر لائف ٹائم کو بہتر بنانے کے لیے ابھی بھی کافی گنجائش موجود ہے، اس کے ارد گرد کے زیادہ تر مسائل تعمیر سے متعلق ہیں۔ شمسی خلیوں کے علاوہ، پیرووسکیٹس کو ایل ای ڈی، لیزر اور ٹرانجسٹر بنانے کے لیے استعمال کیا جا سکتا ہے۔ اس کے نتیجے میں لیڈ اور ہالیڈ پیرووسکیٹس جدید تحقیق میں خاص دلچسپی رکھتے ہیں۔ موجودہ مسائل میں ساختی نقائص شامل ہیں جو اس وقت ظاہر ہوتے ہیں جب سیمی کنڈکٹر آلات کو مواد کے ساتھ تیار کیا جاتا ہے، کیونکہ کرسٹل سے وابستہ نقل مکانی کی کثافت ان کے کیریئر کی زندگی کو نقصان پہنچاتی ہے۔ حوالہ جات بیرونی روابط کیریئر لائف ٹائم چارج کیریئر