即少數載流子壽命。光生電子和空穴從一開始在半導體中產生直到消失的時間稱為壽命。載流子壽命就是指非平衡載流子的壽命。而非平衡載流子一般也就是非平衡少數載流子（因為只有少數載流子才能注入到半導體內部、並積累起來，多數載流子即使注入進去後也就通過庫侖作用而很快地消失了），所以非平衡載流子壽命也就是指非平衡少數載流子壽命，即少數載流子壽命。
基本介紹
- 中文名：少子壽命
- 外文名：Minority carriers life time
- 解釋：半導體材料和器件的重要參數
- 性質：科學
- 類別：物理
參數介紹,化學解釋,物理解釋,影響參數,對半導體影響,對性能的影響,載流子壽命,控制方法,
參數介紹
少子壽命指少子的平均生存時間，壽命標誌少子濃度減少到原值的1/e所經歷的時間。對太陽能電池來說，少子壽命越短，電池效率越低。
少子，即少數載流子，是半導體物理的概念。 它相對於多子而言。
半導體材料中有電子和空穴兩種載流子。如果在半導體材料中某種載流子占少數，導電中起到次要作用，則稱它為少子。如，在N型半導體中,空穴是少數載流子，電子是多數載流子；在P型半導體中,空穴是多數載流子,電子是少數載流子。
化學解釋
多子和少子的形成:五價元素的原子有五個價電子，當它頂替晶格中的四價矽原子時，每個五價元素原子中的四個價電子與周圍四個矽原子以共價鍵形式相結合，而餘下的一個就不受共價鍵束縛，它在室溫時所獲得的熱能足以使它掙脫原子核的吸引而變成自由電子。出於該電子不是共價鍵中的價電子，因而不會同時產生空穴。而對於每個三價元素原子，儘管它釋放出一個自由電子後變成帶一個電子電荷量的正離子，但它束縛在晶格中，不能象載流子那樣起導電作用。這樣，與本徵激發濃度相比，N型半導體中自由電子濃度大大增加了，而空穴因與自由電子相遇而複合的機會增大，其濃度反而更小了。
少子濃度主要由本徵激發決定，所以受溫度影響較大。
物理解釋
對n型半導體，其中非平衡少數載流子——空穴的壽命τ，也就是空穴的平均生存時間，1/τ就是單位時間內空穴的複合幾率，Δp/τ稱為非平衡空穴的複合率 (即n型半導體中單位時間、單位體積內、淨複合消失的電子-空穴對的數目)；非平衡載流子空穴的濃度隨時間的變化率為dΔp /dt =－Δp /τp, 如果τp與Δp 無關, 則Δp 有指數衰減規律：Δp = (Δp) exp( -t/τp ) 。
實驗表明, 在小注入條件 (Δp<<no+po) 下, 非平衡載流子濃度確實有指數衰減規律，這說明Δp(t +τp) = Δp(t)/e, Δp(t)│（t=τp） = Δpo , τp即是非平衡載流子濃度減小到原來值的1/e時所經歷的時間；而且在小注入條件下, τp的確是與Δp無關的常數；利用這種簡單的指數衰減規律即可測量出少數載流子壽命τp的值；同時可以證明，τp確實就是非平衡載流子的平均生存時間<t>。應當注意的是，只有在小注入時非平衡載流子壽命才為常數，淨複合率才可表示為－Δp/τp；並且在小注入下穩定狀態的壽命才等於瞬態的壽命。
影響參數
不同半導體中影響少數載流子壽命長短的因素，主要是載流子的複合機理（直接複合、間接複合、表面複合、Auger複合等）及其相關的問題。 對於Si、Ge等間接躍遷的半導體，因為導帶底與價帶頂不在Brillouin區的同一點，故導帶電子與價帶空穴的直接複合比較困難（需要有聲子等的幫助才能實現——因為要滿足載流子複合的動量守恆），則決定少數載流子壽命的主要因素是通過複合中心的間接複合過程。從而，半導體中有害雜質和缺陷所造成的複合中心（種類和數量）對於這些半導體少數載流子壽命的影響極大。所以，為了增長少數載流子壽命，就應該去除有害的雜質和缺陷；相反，若要減短少數載流子壽命，就可以加入一些能夠產生複合中心的雜質或缺陷（例如摻入Au、Pt，或者採用高能粒子束轟擊等）。 對於GaAs等直接躍遷的半導體，因為導帶底與價帶頂都在Brillouin區的同一點，故決定少數載流子壽命的主要因素就是導帶電子與價帶空穴的直接複合過程。因此，這種半導體的少數載流子壽命一般都比較短。 當然，有害的雜質和缺陷將有更進一步促進複合、減短壽命的作用。
對半導體影響
對於主要是依靠少數載流子輸運（擴散為主）來工作的雙極型半導體器件，少數載流子壽命是一個直接影響到器件性能的重要參量。這時，常常採用的一個相關參量就是少數載流子擴散長度L（等於擴散係數與壽命之乘積的平方根），L即表征少數載流子一邊擴散、一邊複合所能夠走過的平均距離。少數載流子壽命越長，擴散長度就越大。
對於BJT，為了保證少數載流子在基區的複合儘量少（以獲得很大的電流放大係數），則必須把基區寬度縮短到少數載流子的擴散長度以下。因此，要求基區的少數載流子壽命越長越好。
半導體中的非平衡載流子壽命是半導體的一個基本特性參數，它的長短將直接影響到依靠少數載流子來工作的半導體器件的性能，這種器件有雙極型器件和p-n結光電子器件等。但是，對於在結構上包含有p-n結的單極型器件（例如MOSFET）也會受到載流子壽命的影響。
非平衡載流子壽命主要是指非平衡少數載流子的壽命。影響少子壽命的主要因素是半導體能帶結構和非平衡載流子的複合機理；對於Si 、Ge、GaP等間接禁帶半導體，一般決定壽命的主要因素是半導體中的雜質和缺陷。
對於少子壽命有明顯依賴關係的電子器件特性，主要有雙極型器件的開關特性、導通特性和阻斷特性；對於光電池、光電探測器等之類光電子器件，與少子壽命直接有關的特性主要有光生電流、光生電動勢等。
對性能的影響
半導體器件導通特性的好壞可以用它的導通電阻或者導通壓降來表征；導通壓降越低，器件的大電流性能就越好，器件的功率處理能力也就越強。 對於雙極型器件，從本質上來看，它的導通特性實際上可近似地歸結為p-n結的正嚮導通特性；而對於雙極型功率器件而言，其正嚮導通特性可歸結為pin二極體的導通特性。
因為一般p-n結的正向電流主要是少子擴散電流，則少子壽命越短，少子的濃度梯度越大，正向電流就越大，於是在同樣電流情況下的導通壓降也就越低。所以少子壽命宜較短一些。
但是，對於pin結則有所不同，因為pin結處於正偏時，即有大量電子和空穴分別從兩邊注入到本徵的i型層，則必為“大注入”；這時可以認為i型層中的電子濃度等於空穴濃度，並且均勻分布，即n=p=const。正是由於在i型層中存在大量的兩種載流子，所以必然會產生電導調製效應，使得pin結的正向電壓降低。
而pin結的正嚮導電是由載流子渡越i型層（勢壘區）時的複合過程所造成的，則pin結的導通特性與i型層中載流子的複合壽命有很大的關係。在此考慮到大注入的強烈影響，因此決定載流子壽命的因素除了大注入下的壽命——雙極複合壽命τa以外，還需要計入Auger複合的壽命τA，於是應該採用有效壽命τeff的概念。由於i層載流子的有效壽命越長，在大注入情況下該層的電導調製效應就越強，則器件的正向壓降也就越低，因此pin結的正向壓降與載流子有效壽命成反比。然而，有效壽命將隨著正向電流密度的增大而減短，特別是在大電流密度時，有效壽命將顯著變短，從而會導致正向壓降很快增加。
載流子壽命
如上所述，對於功率器件而言，它的開關特性要求載流子壽命越短越好，而它的阻斷特性和導通特性卻要求載流子壽命越長越好。因此，同一種半導體器件的不同特性，對於載流子壽命的要求不一定相同。這就產生了一個所謂壽命最佳化的問題，即如何綜合考慮、恰當地選取載流子的壽命，以使得器件的特性能夠最大限度地滿足使用要求。
對於Si等半導體器件，影響載流子壽命的主要因素是缺陷和有害雜質構成的複合中心的濃度以及半導體的本底摻雜濃度。複合中心的重要特性參數是它的能級位置以及俘獲截面。在複合中心的能級位置和半導體摻雜濃度適當時，複合中心將成為最有效的複合中心，則對載流子壽命的影響最大。
一般，複合中心能級越深（即越靠近本徵Fermi能級）、半導體摻雜濃度越高（即Fermi能級越靠近能帶邊），複合中心就越有效。例如，位於導帶底以下0.54eV的複合中心一般就滿足該條件，為一個最有效的複合中心；而位於導帶底以下0.3eV的複合中心則是無效複合中心。
實際上，最有效的複合中心也具有較小的對兩種載流子的俘獲截面之比（接近1）。總之，複合中心的能級越靠近禁帶中央，而且其俘獲截面比越接近1，則該複合中心就越有效，壽命也就越短。在小注入時，少子壽命與注入水平無關，而僅決定於複合中心的能級位置和俘獲截面之比；在大注入時，任何複合中心決定的載流子壽命都將趨於雙極壽命。
控制方法
一般，有兩個方面需要考慮：
一是注意在工藝過程中控制好載流子壽命，使得不發生變化。這裡主要是要注意清潔度和操作過程的控制，以避免有害雜質的引入和減少工藝誘生的二次缺陷。
二是通過有意摻入一些深能級雜質，或者造成一些晶體缺陷來加以控制，因為許多深能級雜質和晶體缺陷都將構成複合中心。在Si器件中，常用作為複合中心的深能級雜質是Au和Pt，常用來引入晶體缺陷的措施是電子輻照。 Au和Pt以及電子輻照，這三種複合中心的引入方法各有千秋。一般，可以見到：
①對於高摻雜（低電阻）半導體材料，摻Au和摻Pt的τH/τL比值都較大；但對於低摻雜（高電阻）半導體材料，只有摻Au的τH/τL比值才較大。因此，從既降低導通壓降、又提高開關頻率的角度來考慮時，還是摻Au的效果比較好。 ②從少子產生壽命與大注入壽命之比（τs/τH）來看，摻Pt和電子輻照的比值較大，因此，在保持導通壓降相同的情況下，摻Pt和電子輻照都可以維持器件的反向漏電流較小。
③對於摻Pt的Si，τH/τL比值隨摻雜濃度的變化很大，因此Pt作為功率器件的複合中心不太理想；
④對於電子輻照的Si，τH/τL比值基本上不隨摻雜濃度而變化，因此，電子輻照能夠對功率器件提供比較理想的複合中心；
⑤對於摻Au的Si，τH/τL比值完全不隨摻雜濃度而變化，因此，Au也是功率器件的一種理想的複合中心。
