वाहित्र जीवनकाल

अर्धचालक भौतिकी में, वाहक जीवनकाल को औसत समय के रूप में परिभाषित किया जाता है जो एक अल्पसंख्यक वाहक को पुनः संयोजित करने के लिए संदर्भित किया जाता है। जिस प्रक्रिया के माध्यम से यह किया जाता है उसे सामान्यतः 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, अर्धचालक में अपशिष्ट ताप के स्रोतों में से एक) को गर्म किया जा सकता है, या फोटॉन (ऑप्टिकल पुनर्संयोजन, प्रकाश उत्सर्जक डायोड और अर्धचालक लेजर में उपयोग किया जाता है) के रूप में जारी किया जाता है। अर्धचालक की पदार्थ और निर्माण के आधार पर वाहक का जीवनकाल महत्वपूर्ण रूप से भिन्न हो सकता है

द्विधुवी ट्रांजिस्टर और सौर सेलों में वाहक जीवनकाल एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है।

अप्रत्यक्ष बैंड अंतराल अर्द्धचालकों में, वाहक जीवनकाल दृढ़ता से पुनर्संयोजन केंद्रों की एकाग्रता पर निर्भर करता है। सोने के परमाणु अत्यधिक कुशल पुनर्संयोजन केंद्रों के रूप में कार्य करते हैं, कुछ उच्च स्विचिंग गति डायोड और ट्रांजिस्टर के लिए सिलिकॉन इसलिए सोने की एक छोटी मात्रा के साथ मिश्रित होता है। कई अन्य परमाणु, जैसे लोहा या निकल, समान प्रभाव उत्सर्जित करते हैं।^[1]

सिंहावलोकन

व्यावहारिक अनुप्रयोगों में, अर्धचालक की विद्युतीय बैंड संरचना सामान्यतः एक गैर-संतुलन अवस्था में पाई जाती है। इसलिए, प्रक्रियाएं जो तापीय संतुलन की ओर बढ़ती हैं, अर्थात् वाहक पुनर्संयोजन के तंत्र, सदैव एक ही भूमिका निभाते हैं।

इसके अतिरिक्त, उपकरणों में उपयोग किए जाने वाले अर्धचालक न्यून आंतरिक अर्धचालक होते हैं। प्रायः, एक अपमिश्रक का उपयोग बैंड संरचना के भीतर इलेक्ट्रॉनों या छिद्रों की अधिकता प्रदान करने के लिए किया जाता है। यह बहुसंख्यक वाहक और अल्पसंख्यक वाहक का परिचय देता है। इसके परिणामस्वरूप, वाहक जीवनकाल कई अर्धचालक उपकरणों में महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है जिनमें अपमिश्रक उपलब्ध होते हैं।

पुनर्संयोजन तंत्र

ऐसे कई तंत्र हैं जिनके द्वारा अल्पसंख्यक वाहक पुनर्संयोजन कर सकते हैं, जिनमें से प्रत्येक वाहक जीवनकाल से घटाया जाता है। आधुनिक उपकरणों में भूमिका निभाने वाले मुख्य तंत्र बैंड-टू-बैंड पुनर्संयोजन और प्रेरित उत्सर्जन हैं, जो विकिरण पुनर्संयोजन के रूप हैं, और शॉक्ले-रीड-हॉल, ऑगर, लैंगविन और सतह पुनर्संयोजन, जो गैर-विकिरण पुनर्संयोजन के भिन्न-भिन्न रूप हैं।

प्रणालियों के आधार पर, कुछ तंत्र दूसरों की तुलना में अधिक भूमिका निभा सकते हैं।^[2] उदाहरण के लिए, सतह पुनर्संयोजन, सौर सेलों में एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है, जहां अधिकांश प्रयास गैर-विकिरण पुनर्संयोजन को कम करने के लिए निष्क्रिय सतहों में चला जाता है।^[3] इसके विपरीत, लैंगविन पुनर्संयोजन जैविक सौर सेलों में प्रमुख भूमिका निभाता है, जहां अर्धचालकों की विशेषता, कम गतिशीलता होती है।^[4] इन प्रणालियों में, वाहक जीवनकाल को अधिकतम करना उपकरण की दक्षता को अधिकतम करने का पर्याय है।^[5]

अनुप्रयोग

सौर सेल

सौर सेल एक विद्युत उपकरण है जिसमें एक अर्धचालक प्रकाश के संपर्क में आता है जो प्रकाशविभव प्रभाव के माध्यम से विद्युत में परिवर्तित हो जाता है। इलेक्ट्रॉन या तो प्रकाश के अवशोषण के माध्यम से उत्तेजित होते हैं, या यदि पदार्थ की बैंड-अंतराल ऊर्जा को भरा जा सकता है तों इलेक्ट्रॉन-छिद्र युग्म बनाए जाते हैं। साथ ही, एक विभव क्षमता उत्पन्न होती है। सौर सेल के भीतर आवेश वाहक उक्त क्षमता को नष्ट करने के लिए अर्द्धचालकों के माध्यम से चालित होते हैं, जो कि बहाव बल है जो इलेक्ट्रॉनों को स्थानांतरित करता है। इसके अतिरिक्त, इलेक्ट्रॉनों को उच्च सांद्रता से इलेक्ट्रॉनों की कम सांद्रता में प्रसार द्वारा स्थानांतरित करने के लिए विवश किया जा सकता है।

सौर सेल की दक्षता को अधिकतम करने के लिए, सौर सेल के विद्युदग्र पर यथासंभव अधिक से अधिक आवेश वाहक एकत्र करना वांछनीय है। इस प्रकार, इलेक्ट्रॉनों के पुनर्संयोजन से बचा जाना चाहिए। यह वाहक जीवनकाल में वृद्धि के अनुरूप है। सौर सेल के शीर्ष पर सतह का पुनर्संयोजन होता है, जिससे पदार्थ की परतों का होना सुदृढ़ हो जाता है, जिसमें सतह निष्क्रियता के गुण होते हैं जिससे यह लंबे समय तक प्रकाश के संपर्क में आने से प्रभावित न हों।^[6] इसके अतिरिक्त, इलेक्ट्रॉनों की प्रग्रहण संभावना को कम करने के लिए विभिन्न अर्द्धचालक सामग्रियों को बिछाने की एक ही विधि का उपयोग किया जाता है, जिसके परिणामस्वरूप ट्रैप-सहायता वाले पुनर्संयोजन में कमी आती है, और वाहक जीवनकाल में वृद्धि होती है। विकरणशील पुनर्संयोजन उन सौर सेलों में नगण्य है जिनमें अप्रत्यक्ष बैंड अंतराल संरचना के साथ अर्धचालक पदार्थ होतें है। ऑगर पुनर्संयोजन सौर सेलों के लिए एक सीमित कारक के रूप में होता है जब अतिरिक्त इलेक्ट्रॉनों की सांद्रता कम उपमिश्रण दरों पर बड़ी हो जाती है। अन्यथा, उपमिश्रण पर निर्भर एसआरएच पुनर्संयोजन प्राथमिक तंत्रों में से एक है जो सौर सेलों में इलेक्ट्रॉनों के वाहक जीवनकाल को कम करता है।^[7]

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 होता है। द्विध्रुवीय जंक्शन ट्रांजिस्टर अपने परिपथ में पदार्थ के एकल स्फटिक का उपयोग करता है जो दो प्रकार के अर्द्धचालक, एक n-प्रकार और p-प्रकार में विभाजित होता है। ये दो प्रकार के उपमिश्रण अर्धचालक क्रमशः तीन अलग-अलग क्षेत्रों में फैले हुए हैं: उत्सर्जक क्षेत्र, आधार क्षेत्र और संग्राहक क्षेत्र। उत्सर्जक क्षेत्र और संग्राहक क्षेत्र मात्रात्मक रूप से उपमिश्रित किए गए हैं, परंतु एक ही प्रकार के उपमिश्रण हैं और एक आधार क्षेत्र साझा करते हैं, यही कारण है कि प्रणाली एक दूसरे के साथ श्रृंखला में जुड़े दो डायोड से भिन्न 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।

प्रतीकात्मक अग्र अभिनति अभिक्रिया में एनपीएन-ट्रांजिस्टर के लिए, उत्सर्जक से आधार क्षेत्र में पहले जंक्शन के माध्यम से आवेश वाहकों का एक अंतःक्षेप दिया जाता है, इलेक्ट्रॉन आवेश वाहक होते हैं जो संग्राहक क्षेत्र की दिशा, आधार क्षेत्र के माध्यम से भिन्न रूप से ले जाए जाते हैं। ये आधार क्षेत्र के अल्पसंख्यक वाहक हैं। समान रूप से, पीएनपी-ट्रांजिस्टर के लिए, इलेक्ट्रॉनिक छिद्र आधार क्षेत्र के अल्पसंख्यक वाहक हैं।

इन अल्पसंख्यक वाहकों का वाहक जीवनकाल आधार क्षेत्र में अल्पसंख्यक वाहकों के आवेश प्रवाह में महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है, जो दो जंक्शनों के मध्य पाया जाता है। द्विध्रुवीय जंक्शन ट्रांजिस्टर के संचालन के विधियों के आधार पर, पुनर्संयोजन को या तो प्राथमिकता दी जाती है, या आधार क्षेत्र में इससे बचा जाता है।

विशेष रूप से, अभिक्रियाओ के पूर्वोक्त अग्र-सक्रिय विधि के लिए, पुनर्संयोजन उपयुक्त नहीं है। इस प्रकार, इन पुनर्संयोजन से पहले आधार क्षेत्र से एकत्रित क्षेत्र में जितना संभव हो उतने अल्पसंख्यक वाहक प्राप्त करने के लिए, आधार क्षेत्र की चौड़ाई इतनी छोटी होनी चाहिए कि अल्पसंख्यक वाहक अर्द्धचालक की तुलना में कम समय में विस्तारित हों सकें। समतुल्य रूप से, आधार क्षेत्र की चौड़ाई प्रसार लंबाई से कम होनी चाहिए, यह वह औसत लंबाई है जो आवेश वाहक, पुनर्संयोजन से पहले यात्रा करता है। इसके अतिरिक्त, पुनर्संयोजन की उच्च दर को प्रतिबंधित करने के लिए, उत्सर्जक और संग्राहक क्षेत्र के संबंध में आधार को केवल हल्के ढंग से उपमिश्रित किया जाता है। इसके परिणामस्वरूप, आवेश वाहकों के पास आधार क्षेत्र में रहने की उच्च संभावना नहीं होती है, जो निम्न-ऊर्जा अवस्था में पुनर्संयोजन करते समय उनके व्यवसाय का पसंदीदा क्षेत्र होता है।

अभिक्रिया के अन्य विधियों जैसे कि तीव्रता से परिवर्तन के लिए, एक उच्च पुनर्संयोजन दर वांछनीय है। उचित वाहक जीवनकाल को सुविधाजनक बनाने के लिए अभिक्रिया के वांछित विधि, और अपमिश्रित आधार क्षेत्र के संबद्ध गुणों पर विचार किया जाना चाहिए। वर्तमान स्तिथियों में, सिलिकॉन और सिलिकॉन कार्बाइड अधिकांश द्विध्रुवीय जंक्शन ट्रांजिस्टर में प्रयुक्त पदार्थ हैं।^[8] आधार क्षेत्र में जिन पुनर्संयोजन तंत्रों पर विचार किया जाना चाहिए, वे आधार-उत्सर्जक जंक्शन के निकट सतह पुनर्संयोजन हैं, साथ ही आधार क्षेत्र में एसआरएच - और ऑगर पुनर्संयोजन हैं। विशेष रूप से, ऑगर पुनर्संयोजन तब बढ़ता है जब अंतःक्षेपित आवेश वाहक की मात्रा बढ़ती है, इसलिए बढ़ती अंतःक्षेपण संख्या के साथ धारा लाभ की दक्षता कम हो जाती है।

अर्द्धचालक लेजर

अर्धचालक लेज़रों में, वाहक जीवनकाल वह समय होता है जब लेज़र गुहिका में गैर-विकिरण प्रक्रियाओं के माध्यम से पुनर्संयोजन से पहले एक इलेक्ट्रॉन संग्रहित होता है। लेजर डायोड दर समीकरणो के गठन में, वाहक जीवनकाल का उपयोग आवेश संरक्षण समीकरण में वाहकों के घातीय क्षय के समय स्थिर के रूप में किया जाता है।

वाहक घनत्व पर वाहक जीवनकाल की निर्भरता इस प्रकार व्यक्त की जाती है:^[9]

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

जहां A, B और C गैर-विकिरणकारी, विकिरण और ऑगर पुनर्संयोजन गुणांक हैं और $\tau _{n}(N)$ वाहक जीवनकाल है।

नाप

चूंकि अर्द्धचालक डिवाइस की दक्षता आम तौर पर उसके वाहक जीवनकाल पर निर्भर करती है, इसलिए इस मात्रा को मापने में सक्षम होना महत्वपूर्ण है। जिस तरीके से यह किया जाता है वह डिवाइस पर निर्भर करता है, परंतु सामान्यतः विद्युत प्रवाह और विभव को मापने पर निर्भर होता है।

सौर सेलों में, वाहक जीवनकाल की गणना सेल की सतह को रोशन करके की जा सकती है, जो वाहक पीढ़ी को प्रेरित करती है और विभव को तब तक बढ़ाती है जब तक कि यह एक संतुलन तक नहीं पहुंच जाती है, और बाद में प्रकाश स्रोत को बंद कर देती है। यह विभव को लगातार दर से क्षय करने का कारण बनता है। जिस दर पर विभव का क्षय होता है, वह अल्पसंख्यक वाहकों की मात्रा से निर्धारित होता है, जो प्रति यूनिट समय में पुनर्संयोजित होता है, जिसमें उच्च मात्रा में पुनर्संयोजित वाहक होते हैं, जिसके परिणामस्वरूप तेजी से क्षय होता है। इसके बाद, एक कम वाहक जीवनकाल के परिणामस्वरूप विभव का तेजी से क्षय होगा। इसका अर्थ है कि एक सौर सेल के वाहक जीवनकाल की गणना उसके विभव क्षय दर का अध्ययन करके की जा सकती है।^[10] यह वाहक जीवनकाल आम तौर पर इस प्रकार व्यक्त किया जाता है:^[11]

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

कहाँ $k_{B}$ बोल्ट्ज़मैन स्थिरांक है, q प्राथमिक आवेश है, T तापमान है, और ${\frac {dV_{oc}}{dt}}$ ओपन परिपथ विभव का समय व्युत्पन्न है।

द्विध्रुवी जंक्शन ट्रांजिस्टर (बीजेटी) में, वाहक जीवनकाल का निर्धारण करना अधिक जटिल है। अर्थात्, किसी को आउटपुट विद्युत प्रतिरोध और चालन और रिवर्स transconductance को मापना चाहिए, जो दोनों चर हैं जो बीजेटी के माध्यम से विभव और प्रवाह के प्रवाह पर निर्भर करते हैं, और अल्पसंख्यक वाहक पारगमन समय की गणना करते हैं, जो अर्ध की चौड़ाई से निर्धारित होता है बीजेटी का तटस्थ आधार (क्यूएनबी), और प्रसार गुणांक; एक स्थिरांक जो द्विध्रुवीय जंक्शन ट्रांजिस्टर के भीतर परमाणु प्रवासन की मात्रा निर्धारित करता है।^[12] यह वाहक जीवनकाल इस प्रकार व्यक्त किया गया है:^[13]

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

कहाँ $G_{o},G_{r},W_{B}$ और $D_{n}$ क्रमशः आउटपुट चालन, रिवर्स ट्रांसकंडक्टेंस, क्यूएनबी की चौड़ाई और प्रसार गुणांक हैं।

धारा शोध

क्योंकि एक लंबा वाहक जीवनकाल प्रायः एक अधिक कुशल उपकरण का पर्याय बन जाता है, अनुसंधान अल्पसंख्यक वाहकों के पुनर्संयोजन में योगदान देने वाली प्रक्रियाओं को कम करने पर ध्यान केंद्रित करता है। व्यवहार में, यह आम तौर पर अर्धचालकों के भीतर संरचनात्मक दोषों को कम करने, या नए तरीकों को पेश करने का अर्थ है जो समान पुनर्संयोजन तंत्र से ग्रस्त नहीं हैं।

स्फटिकीय सिलिकॉन सौर सेलों में, जो विशेष रूप से आम हैं, एक महत्वपूर्ण सीमित कारक सेल को होने वाली संरचनात्मक क्षति है जब पारदर्शी संवाहक फिल्म लागू होती है। यह प्रतिक्रियाशील प्लाज्मा जमाव के साथ किया जाता है, स्पटर जमाव का एक रूप। इस फिल्म को लगाने की प्रक्रिया में, सिलिकॉन परत पर दोष दिखाई देते हैं, जो वाहक जीवनकाल को नीचा दिखाते हैं।^[14] इस प्रक्रिया के दौरान होने वाली क्षति की मात्रा को कम करना सौर सेल की दक्षता बढ़ाने और धारा शोध का ध्यान केंद्रित करने के लिए महत्वपूर्ण है।^[15] अनुसंधान के अलावा जो धारा में पसंदीदा तकनीकों को अनुकूलित करना चाहता है, पेरोव्स्काइट सौर सेल (PSC) जैसी अन्य, कम उपयोग वाली तकनीकों के आसपास बहुत अधिक शोध है। यह सौर सेल इसकी तुलनात्मक रूप से सस्ती और सरल निर्माण प्रक्रिया के कारण बेहतर है। आधुनिक प्रगति से पता चलता है कि इस सौर सेल के वाहक जीवनकाल में सुधार के लिए अभी भी पर्याप्त जगह है, इसके आसपास के अधिकांश मुद्दे निर्माण-संबंधी हैं।^[16] सौर सेलों के अलावा, एलईडी, लेजर और ट्रांजिस्टर के निर्माण के लिए पेरोवियन का उपयोग किया जा सकता है। इसके परिणामस्वरूप, आधुनिक अनुसंधान में सीसा और halide पेरोसाइट्स विशेष रुचि रखते हैं। धारा समस्याओं में संरचनात्मक दोष शामिल हैं जो तब प्रकट होते हैं जब अर्धचालक उपकरणों को पदार्थ के साथ निर्मित किया जाता है, क्योंकि स्फटिक से जुड़ा अव्यवस्था घनत्व उनके वाहक जीवनकाल के लिए हानिकारक है।^[17]

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बाहरी संबंध

Carrier Lifetime

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[15] Linss, Volker; Bivour, Martin; Iwata, Hiroshi; Ortner, Kai (2019). "बहुत पतली ए-सी पैसिवेशन फिल्मों के अनुप्रयोग को सक्षम करने के लिए कम क्षति स्पटर डिपोजिशन तकनीकों की तुलना". AIP Conference Proceedings. 15th International Conference on Concentrator Photovoltaic Systems (CPV-15). 2147 (1): 040009. Bibcode:2019AIPC.2147d0009L. doi:10.1063/1.5123836.

[16] Mesquita, Isabel; Andrade, Luísa; Mendes, Adélio (2018). "Perovskite solar cells: Materials, configurations and stability". Renewable and Sustainable Energy Reviews. 82: 2471–2489. doi:10.1016/j.rser.2017.09.011. ISSN 1364-0321.

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