Оптични и транспортни свойства на полупроводниците

Начинът, по който един полупроводник абсорбира светлина и как неговите носители дрейфуват и дифундират под въздействието на полета, определя дали той е подходящ детектор, емитер или транзистор, като тези свойства произтичат от неговата зонна структура и разсейване.

Definition

Транспортните свойства на полупроводника описват как електроните и дупките се движат под въздействието на електрически полета и градиенти на концентрацията, характеризирани с подвижност, проводимост и дифузия; оптичните свойства описват как материалът абсорбира и излъчва светлина през своята забранена зона, определени от зонната структура и прякостта на забранената зона.

Scope

Тази тема обхваща електрическия транспорт и оптичния отклик на полупроводниците: дрейф и подвижност на носителите, механизмите на разсейване (фононно и примесно), които ги ограничават, дифузия и съотношението на Айнщайн, ефект на Хол и рекомбинация. От оптична страна тя обхваща абсорбцията в края на зоната, разграничението между преки и непреки забранени зони за излъчване на светлина, екситони и фотопроводимост. Тя свързва зонната структура и статистиката на носителите в областта с измерими свойства, релевантни за устройствата.

Core questions

• Какво определя подвижността на носителите и кои механизми на разсейване я ограничават?
• Как са свързани дрейфът и дифузията чрез съотношението на Айнщайн?
• Защо прякостта на забранената зона контролира дали един полупроводник излъчва светлина ефективно?
• Какво представляват екситоните и фотопроводимостта и как те формират оптичния отклик?

Key concepts

• Дрейф, подвижност и проводимост на носителите
• Фононно и примесно разсейване
• Дифузия и съотношението на Айнщайн
• Преки срещу непреки оптични преходи
• Екситони и фотопроводимост

Clinical relevance

Транспортните и оптичните свойства определят производителността на устройството: подвижността определя скоростта на транзистора, пряката или непряката забранена зона определя дали даден материал може да произвежда ефективни светодиоди (LED) и лазери (както при галиев арсенид срещу силиций), а абсорбцията управлява фотодетекторите и слънчевите клетки.

History

Ефектът на Хол (1879 г.) предоставя ранен метод за измерване на знака и плътността на носителите; квантовата теория на абсорбцията в края на зоната и екситоните се развива през 30-те години на миналия век, а признанието, че съединения с пряка забранена зона като галиев арсенид излъчват светлина ефективно, е в основата на оптоелектрониката, която се появява от средата на ХХ век.

Key figures

• Edwin Hall
• Albert Einstein
• Gregory Wannier

Seminal works

• ashcroft1976
• sze2007

Frequently asked questions

Защо силицият произвежда лоши светоизлъчващи устройства?

Силицият има непряка забранена зона, така че електрон и дупка, рекомбиниращи през зоната, трябва да включват и фонон, за да се запази импулсът; това прави лъчистата рекомбинация неефективна, поради което материали с пряка забранена зона като галиев арсенид се използват за светодиоди (LED) и лазери.

Какво ограничава скоростта на движение на носителите в полупроводник?

Носителите се разсейват от вибрациите на решетката (фонони) и от йонизирани примеси; тези сблъсъци ограничават подвижността, като фононното разсейване доминира при висока температура, а примесното разсейване – при ниска температура и силно легиране.