Portatori in Eccesso nei Semiconduttori: Generazione, Vita Media e Impatto sui Dispositivi
I portatori in eccesso sono elettroni e lacune presenti in un semiconduttore al di sopra delle concentrazioni di equilibrio termico (n0, p0). Essi sono gli agenti attivi di tutto il funzionamento dei dispositivi optoelettronici e bipolari.
Meccanismi di Generazione
- Ottica (Fotogenerazione): Fotone (E > Eg) crea coppia elettrone-lacuna. Base di fotodiodi, celle solari, sensori CCD/CMOS.
- Iniezione Elettrica: Giunzione p-n polarizzata in avanti inietta portatori minoritari attraverso la giunzione. Base di diodi, BJT, LED, laser.
- Ionizzazione per Impatto: Accelerazione ad alto campo → coppie elettrone-lacuna per urto. Fotodiodi valanga, rottura per valanga.
- Termica (sopra l'equilibrio): Non "in eccesso" — solo n0, p0 più alti a T più elevata.
Ricombinazione e Vita Media
I portatori in eccesso Δn = Δp decade tramite:
- Radiativa (Banda a Banda): Gap diretto (GaAs, InP) → emissione di fotoni (LED, Laser). τrad ~ ns.
- Shockley-Read-Hall (Trappe): Difetti/impurezze fanno da tramite. Dominante in Si, Ge. τSRH ~ µs–ms.
- Auger (Tre Particelle): Alto drogaggio/iniezione. τAuger ∝ 1/N².
- Ricombinazione Superficiale: Legami insoddisfatti a superfici/interfacce. Critica nelle nano-strutture.
Vita media effettiva: 1/τeff = 1/τrad + 1/τSRH + 1/τAuger + 1/τsurf
Trasporto: Diffusione e Deriva
- Corrente di Diffusione: Jdiff = qD ∇(Δn). I portatori si muovono lungo il gradiente di concentrazione. Lunghezza di diffusione L = √(Dτ).
- Corrente di Deriva: Jdrift = qμnE. Guidata dal campo elettrico.
Impatto sui Dispositivi
| Dispositivo | Ruolo dei Portatori in Eccesso |
|---|---|
| Cella Solare | Δn, Δp fotogenerati separati dal campo della giunzione → corrente fotogenerata |
| BJT | Portatori minoritari iniettati nella base si diffondono verso il collettore → amplificazione |
| LED / Laser | Δn, Δp iniettati si ricombinano radiativamente → luce |
| Fotodiodo | Δn, Δp fotogenerati spazzati dalla polarizzazione inversa → corrente fotogenerata |
| Diodo di Potenza | Carica immagazzinata (Δp nel drift n) determina il recupero inverso (Qrr, trr) |
Misurazione
- Decadimento Fotoconduttività (PCD): impulso luminoso, monitoraggio decadimento conduttività → τeff.
- Decadimento Fotoconduttività a Microonde (µ-PCD): senza contatto.
- Fotoluminescenza Risolta nel Tempo (TRPL): vita media radiativa.
- Spettroscopia Transitoria a Livelli Profondi (DLTS): parametri delle trappe.