Minority Carrier Lifetimes and S

pn结半导体中的电流整流基于少数载流子的传输，与多数载流子驱动的具有相似整流作用的金属半导体肖特基二极管相反。少数载流子寿命会影响光伏电池的光照和黑暗特性，并直接决定其效率。 因此，其可靠的特性对于评估和优化基于PN结纳米线的光伏器件至关重要。 此外，p–n结纳米线的电学和光学特性取决于p–n结的几何形状，例如，径向与轴向异质结构，暗示了纳米线的几何形状可能与少数载流子动力学和整流作用有关。

图1c显示了在HF蚀刻后与多个Al电极接触的单个p–n结Si纳米线FET的电学特性。 沿着纳米线的长度，一个片段显示出线性的IV（图1c和插图中的AB），而相邻片段显示出很强的电流整流（图1c和插图中的BC），表明每个片段的成分不同。 实际上，我们通常从靠近纳米线末端（远离p–n结）的部分观察到线性I–V特性。 通过测量非整流段的栅极响应，[14]我们确定了单个段的掺杂类型（p或n）[13,15]（请参阅支持信息）。 这种电学特征以及相关的空间行为，强烈证实了电流整流源自纳米线的固有p–n结性质。

来自单个纳米线FET的典型电流整流如图1 d所示。 I–V特性由二极管方程式I = Ir [exp（nkT q V）− 1]解释，其中n是器件理想因子，Ir是反向饱和电流，q是电荷，k和T是玻尔兹曼常数 和温度。插图显示了相应的对数I–V图，其中理想因子（≈2.2）是根据正向偏置的线性范围（切线）推导出的。 大于1的理想因子表明，少数载流子运输在很大程度上由载流子重组控制，[16]如以下详细研究。

纳米线的少数载流子寿命用RRT方法表征，该方法依赖于电注入p-n结耗尽区的少数载流子的瞬态动力学。金斯敦率先采用这种方法，[17]p–n结型二极管首先被正向偏置，然后突然切换到反向偏置，所产生的瞬态响应直接对应于p和n段中少数载流子的平均寿命。图2显示了在突然切换的正反向偏置下测试的商用Si p–n二极管的典型RRT特性。当输入偏置（图2a）从正向（Vf = 3 V）切换到反向（Vr = –2 V）时，相应的电流响应（图2b）显示三个不同的相位：1）恒定正向电流（If）在正向状态下，2）在反向状态下短时间内保持恒定的反向电流（Ir）（存储时间，ts），3）反向电流的缓慢衰减或饱和（恢复时间，tr）。反向电流随存储时间的出现表示注入的多余少数载流子的重组，恢复阶段反映了载流子的扩散或耗尽。[18,19]少数载流子寿命τ与可测量参数之间的关系，如果已知Ir和ts为[18,19]

通过RRT方法测量的载流子寿命是单个p和n个少数载流子的平均（有效）载流子寿命[18,19]，并用于评估p–n结太阳能电池的光伏效率。[20,21] A 寿命的较低（较高）值表示较短（较长）的载流子扩散长度，这导致较低（较高）的短路电流，因此较低（较高）的光伏效率。 公式（1）预测了vs ts的线性关系，从中可以确定寿命τ。 根据图2b和等式（1）的图，我们在变化的If / Ir下测量ts并确认线性度（图2b，插图）的斜率约为2.9μs，与τ对应。

图3显示了轴向p–n结Si纳米线的代表性RRT特征。在单纳米线FET（图3a，插图）中，从显示电流整流的部分（p-n结，AB）观察到很强的瞬态特性（图3a，实线），类似于商用二极管。同时，在正向和反向偏置下（图3a，虚线），在非整流段（单个成分，BC）中观察到恒定电流。载流子动力学用其他纳米线进一步表征（图3b，c）。图3b示出了具有141nm直径的单pn结纳米线的RRT特性。着眼于瞬态状态，我们提取If，Ir和ts，并使用等式（1）获得137 ns的少数载流子寿命。我们还注意到，随着Vf / Vr输入偏置的增加，ts随方程（1）的预测而增加（图3c）。由于较高的Vf / Vr代表着注入的少数载流子数量更多，耗尽宽度更短，因此更大的ts反映了完成完整重组的时间更长或多余载波的饱和度。

其中τnw（τbulk）代表纳米线（团状）载流子寿命，S是表面速度。[8,16,24]该等式预测了1 /τnw和1 / d之间的线性关系（图4a中的线性拟合）， 线性拟合的截距和斜率产生τbulk≈10μs和S≈42 cm s-1。 p–n结中的少数载流子寿命