Vida útil del portador

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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 mediante el cual esto se lleva a cabo se conoce normalmente como recombinación de portadores minoritarios .

La energía liberada debido a la recombinación puede ser térmica, calentando así el semiconductor ( recombinación térmica o recombinación no radiactiva , una de las fuentes de calor residual en semiconductores ), o liberada en forma de 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 los semiconductores de banda prohibida indirecta , la vida útil de los portadores depende en gran medida de la concentración de centros de recombinación. Los átomos de oro actúan como centros de recombinación de alta eficiencia; 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, por ejemplo, el hierro o el níquel, tienen un efecto similar. ^[1]

En aplicaciones prácticas, la estructura de bandas electrónicas de un semiconductor se encuentra normalmente en un estado de no equilibrio. Por lo tanto, los procesos que tienden hacia el 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 utiliza un dopante , lo que genera 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 banda. Esto introduce un portador mayoritario y un portador minoritario. Como resultado de esto, la vida útil del portador juega un papel vital en muchos dispositivos semiconductores que tienen dopantes.

Existen varios mecanismos por los cuales los portadores minoritarios pueden recombinarse, cada uno de los cuales reduce la vida útil del portador. Los principales mecanismos que desempeñan un papel en los dispositivos modernos son la recombinación de banda a banda y la emisión estimulada, que son formas de recombinación radiativa, y la recombinación de Shockley-Read-Hall (SRH), Auger, Langevin y 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 pasivar las 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 portador es sinónimo de maximizar la eficiencia del dispositivo. ^[5]

Una célula solar es un dispositivo eléctrico en el que un semiconductor se expone a la luz que se convierte en electricidad a través del efecto fotovoltaico . Los electrones se excitan mediante la absorción de la luz o, si se puede superar la energía de la banda prohibida del material, se crean pares electrón-hueco . Simultáneamente, se crea un potencial de voltaje. Los portadores de carga dentro de la célula 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 recolectados en los electrodos de la célula solar. Por lo tanto, se debe evitar la recombinación de electrones (entre otros factores que influyen en la eficiencia). Esto corresponde a un aumento en la vida útil del portador. La recombinación superficial ocurre en la parte superior de la célula solar, lo que hace que sea preferible tener capas de material que tengan grandes propiedades de pasivación superficial para no verse afectadas por la exposición a la luz durante períodos de tiempo más largos. ^[6] Además, el mismo método de superposición 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 células solares que tienen materiales semiconductores con estructura de banda prohibida indirecta. La recombinación Auger ocurre como un factor limitante para las células solares cuando la concentración de electrones en exceso aumenta a bajas tasas de dopaje. De lo contrario, la recombinación SRH dependiente del dopaje es uno de los mecanismos principales que reduce la vida útil del portador de electrones en las células solares. ^[7]

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 n y un tipo p. Estos dos tipos de semiconductores dopados se distribuyen en tres regiones diferentes en orden respectivo: la región del emisor, la región de la base y la región del colector. La región del emisor y la región del colector están dopadas cuantitativamente de forma 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 n y tipo p, y para un transistor NPN, estas regiones son, respectivamente, tipo n, tipo p y tipo n.

En el caso de los transistores NPN en funcionamiento activo directo típico , 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 de la base. Análogamente, en el caso de los transistores PNP, los huecos electrónicos son los portadores minoritarios de la región de la base.

La vida útil de estos portadores minoritarios desempeña un papel crucial en el flujo de carga de los portadores minoritarios en la región de base, que se encuentra entre las dos uniones. Dependiendo del modo de funcionamiento del BJT, la recombinación es preferible o debe evitarse en la región de base.

En particular, para el modo de funcionamiento activo hacia delante mencionado anteriormente, la recombinación no es preferible. Por lo tanto, para obtener la mayor cantidad posible de portadores minoritarios desde la región base hacia la región colectora antes de que se recombinen, el ancho de la región base debe ser lo suficientemente pequeño como para que los portadores minoritarios puedan difundirse en un período de tiempo menor que la vida útil del portador minoritario del semiconductor. De manera equivalente, el ancho de la región 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 está ligeramente dopada con respecto a la región del emisor y el colector. 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 preferible cuando se recombinan en un estado de menor energía.

Para otros modos de operación, como el de conmutación rápida, es deseable una alta tasa de recombinación (y por lo tanto una vida útil corta del portador). El modo de operación deseado y las propiedades asociadas de la región de 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 base son la recombinación superficial cerca de la unión base-emisor, así como la recombinación SRH y Auger en la región de base. Específicamente, la recombinación Auger aumenta cuando aumenta la cantidad de portadores de carga inyectados, disminuyendo así la eficiencia de la ganancia de corriente con el aumento de la cantidad de inyecciones.

En los láseres semiconductores, la vida útil del portador es el tiempo que tarda un electrón en recombinarse mediante procesos no radiactivos en la cavidad del láser. En el marco del modelo de ecuaciones de velocidad , la vida útil del portador se utiliza en la ecuación de conservación de carga como la constante de tiempo de la descomposición exponencial de los portadores.

La dependencia de la vida útil del portador con respecto a la densidad del portador se expresa como: ^[9]

${\displaystyle {\frac {1}{\tau _{n}(N)}}=A+BN+CN^{2}}$

donde A, B y C son los coeficientes de recombinación no radiativa, radiativa y Auger y es la vida útil del portador.${\displaystyle \tau _{n}(N)}$

Dado que la eficiencia de un dispositivo semiconductor depende generalmente de la vida útil de su portador, 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 de los portadores se puede calcular iluminando la superficie de la célula, lo que induce la generación de portadores y aumenta el voltaje hasta que alcanza un equilibrio, y posteriormente apagando la fuente de luz. Esto hace que el voltaje decaiga a una velocidad constante. La velocidad a la que decae el voltaje está determinada por la cantidad de portadores minoritarios que se recombinan por unidad de tiempo, y una mayor cantidad de portadores recombinados da como resultado una caída más rápida. Posteriormente, una menor vida útil de los portadores dará como resultado una caída más rápida del voltaje. Esto significa que la vida útil de los portadores de una célula solar se puede calcular estudiando su tasa de caída de voltaje. ^[10] Esta vida útil de los portadores generalmente se expresa como: ^[11]

${\displaystyle \tau =-{\frac {k_{B}T}{q}}\left({\frac {dV_{oc}}{dt}}\right)^{-1}}$

donde es la constante de Boltzmann , q es la carga elemental , T es la temperatura y es la derivada temporal del voltaje de circuito abierto .${\displaystyle k_{B}}$${\displaystyle {\frac {dV_{oc}}{dt}}}$

En los transistores de unión bipolar (BJT), determinar la vida útil de los portadores 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 los portadores minoritarios, 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] Esta vida útil de los portadores se expresa como: ^[13]

${\displaystyle \tau _{BF}=-{\frac {W_{B}^{2}}{2D_{n}}}\cdot {\frac {G_{o}}{G_{r}}}}$

donde y son la conductancia de salida, la transconductancia inversa, el ancho del QNB y el coeficiente de difusión, respectivamente.${\displaystyle G_{o},G_{r},W_{B}}$${\displaystyle D_{n}}$

Dado que una vida útil más prolongada de los portadores suele ser sinónimo de un dispositivo más eficiente, la investigación tiende a centrarse en minimizar los procesos que contribuyen a la recombinación de los portadores minoritarios. En la práctica, esto generalmente implica reducir los defectos estructurales dentro de los semiconductores o introducir métodos novedosos que no sufran los mismos mecanismos de recombinación.

En las células solares de silicio cristalino , que son particularmente comunes, un factor limitante importante es el daño estructural que se produce en 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 célula solar y es un foco de la investigación actual. ^[15]

Además de las investigaciones que buscan optimizar las tecnologías que se utilizan actualmente, hay una gran cantidad de investigaciones en torno a otras tecnologías menos utilizadas, como la célula solar de perovskita (PSC). Esta célula solar es preferible debido a su proceso de fabricación comparativamente barato y simple. Los avances modernos sugieren que todavía hay mucho margen para mejorar la vida útil de esta célula solar, y la mayoría de los problemas relacionados con ella están relacionados con la construcción. ^[16]

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 se fabrican dispositivos semiconductores con el material, ya que la densidad de dislocación asociada con los cristales es un detrimento de la vida útil de sus portadores. ^[17]

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