الخصائص البصرية وخصائص النقل لأشباه الموصلات
تحدد كيفية امتصاص شبه الموصل للضوء وكيفية انجراف حاملات الشحنة وانتشارها تحت تأثير المجالات ما إذا كان يشكل كاشفًا أو باعثًا أو ترانزستورًا جيدًا، وتتبع هذه الخصائص من بنيته النطاقية وتشتته.
Definition
تصف خصائص النقل لشبه الموصل كيفية تحرك الإلكترونات والفجوات تحت تأثير المجالات الكهربائية وتدرجات التركيز، وتتميز بالحركية والتوصيلية والانتشار؛ وتصف الخصائص البصرية كيفية امتصاص المادة للضوء وبعثه عبر فجوة النطاق، والتي تحددها البنية النطاقية ومباشرة الفجوة.
Scope
يغطي هذا الموضوع النقل الكهربائي والاستجابة البصرية لأشباه الموصلات: انجراف الحاملات وحركيتها، وآليات التشتت (الفونون والشوائب) التي تحد منها، والانتشار وعلاقة أينشتاين، وتأثير هول، وإعادة التركيب. وعلى الجانب البصري، يغطي امتصاص حافة النطاق، والتمييز بين الفجوات المباشرة وغير المباشرة لانبعاث الضوء، والإكسيتونات، والتوصيلية الضوئية. ويربط البنية النطاقية وإحصائيات الحاملات في المنطقة بالخصائص القابلة للقياس وذات الصلة بالأجهزة.
Core questions
- ما الذي يحدد حركية الحاملات، وما هي آليات التشتت التي تحد منها؟
- كيف يرتبط الانجراف والانتشار من خلال علاقة أينشتاين؟
- لماذا تتحكم مباشرة فجوة النطاق فيما إذا كان شبه الموصل يبعث الضوء بكفاءة؟
- ما هي الإكسيتونات والتوصيلية الضوئية، وكيف تشكل الاستجابة البصرية؟
Key concepts
- انجراف الحاملات، وحركيتها، وتوصيليتها
- تشتت الفونون والشوائب
- الانتشار وعلاقة أينشتاين
- الانتقالات البصرية المباشرة مقابل غير المباشرة
- الإكسيتونات والتوصيلية الضوئية
Clinical relevance
تحدد خصائص النقل والخصائص البصرية أداء الجهاز: تحدد الحركية سرعة الترانزستور، وتحدد الفجوة المباشرة أو غير المباشرة ما إذا كانت المادة يمكن أن تصنع صمامات ثنائية باعثة للضوء (LEDs) وليزرًا فعالين (كما في زرنيخيد الغاليوم مقابل السيليكون)، ويتحكم الامتصاص في الكاشفات الضوئية والخلايا الشمسية.
History
قدم تأثير هول (1879) وسيلة مبكرة لقياس إشارة الحاملات وكثافتها؛ وتطورت النظرية الكمومية لامتصاص حافة النطاق والإكسيتونات في ثلاثينيات القرن الماضي، وأدى الاعتراف بأن المركبات ذات الفجوة المباشرة مثل زرنيخيد الغاليوم تبعث الضوء بكفاءة إلى ظهور الإلكترونيات الضوئية التي نشأت من منتصف القرن العشرين.
Key figures
- Edwin Hall
- Albert Einstein
- Gregory Wannier
Related topics
Seminal works
- ashcroft1976
- sze2007
Frequently asked questions
- لماذا يصنع السيليكون أجهزة باعثة للضوء ضعيفة؟
- يحتوي السيليكون على فجوة نطاق غير مباشرة، لذا يجب أن يشارك فونون أيضًا في إعادة تركيب إلكترون وفجوة عبر الفجوة للحفاظ على الزخم؛ وهذا يجعل إعادة التركيب الإشعاعي غير فعال، وهذا هو السبب في استخدام المواد ذات الفجوة المباشرة مثل زرنيخيد الغاليوم في مصابيح LED والليزر.
- ما الذي يحد من سرعة تحرك الحاملات في شبه الموصل؟
- تتشتت الحاملات بواسطة اهتزازات الشبكة (الفونونات) والشوائب المتأينة؛ وتحد هذه التصادمات من الحركية، مع سيطرة تشتت الفونون عند درجات الحرارة العالية وتشتت الشوائب عند درجات الحرارة المنخفضة والتشويب الكثيف.