Propietats òptiques i de transport dels semiconductors

La manera com un semiconductor absorbeix la llum i com els seus portadors es desplacen i difonen sota camps elèctrics determina si és un bon detector, emissor o transistor, i aquestes propietats deriven de la seva estructura de bandes i de la dispersió.

Definition

Les propietats de transport d'un semiconductor descriuen com es mouen els electrons i els forats sota camps elèctrics i gradients de concentració, caracteritzades per la mobilitat, la conductivitat i la difusió; les propietats òptiques descriuen com el material absorbeix i emet llum a través del seu band gap, establertes per l'estructura de bandes i la directivitat del gap.

Scope

Aquest tema cobreix el transport elèctric i la resposta òptica dels semiconductors: la deriva i la mobilitat dels portadors, els mecanismes de dispersió (fonons i impureses) que la limiten, la difusió i la relació d'Einstein, l'efecte Hall i la recombinació. Pel que fa a l'òptica, cobreix l'absorció a la vora de banda, la distinció entre gaps directes i indirectes per a l'emissió de llum, els excitons i la fotoconductivitat. Connecta l'estructura de bandes i l'estadística de portadors de l'àrea amb propietats mesurables rellevants per als dispositius.

Core questions

• Què determina la mobilitat dels portadors i quins mecanismes de dispersió la limiten?
• Com es relacionen la deriva i la difusió mitjançant la relació d'Einstein?
• Per què la directivitat del band gap controla si un semiconductor emet llum de manera eficient?
• Què són els excitons i la fotoconductivitat, i com configuren la resposta òptica?

Key concepts

• Deriva, mobilitat i conductivitat dels portadors
• Dispersió per fonons i impureses
• Difusió i la relació d'Einstein
• Transicions òptiques directes versus indirectes
• Excitons i fotoconductivitat

Clinical relevance

Les propietats de transport i òptiques decideixen el rendiment del dispositiu: la mobilitat estableix la velocitat del transistor, el gap directe o indirecte determina si un material pot fabricar LED i làsers eficients (com en l'arsenur de gal·li versus el silici), i l'absorció regeix els fotodetectors i les cèl·lules solars.

History

L'efecte Hall (1879) va proporcionar un mitjà primerenc per mesurar el signe i la densitat dels portadors; la teoria quàntica de l'absorció a la vora de banda i els excitons es va desenvolupar a la dècada de 1930, i el reconeixement que els compostos de gap directe com l'arsenur de gal·li emeten llum de manera eficient va sustentar l'optoelectrònica que va sorgir a mitjans del segle XX.

Key figures

• Edwin Hall
• Albert Einstein
• Gregory Wannier

Seminal works

• ashcroft1976
• sze2007

Frequently asked questions

Per què el silici produeix dispositius emissors de llum deficients?

El silici té un band gap indirecte, de manera que un electró i un forat que es recombinen a través del gap també han d'implicar un fonó per conservar el moment; això fa que la recombinació radiativa sigui ineficient, raó per la qual s'utilitzen materials de gap directe com l'arsenur de gal·li per a LED i làsers.

Què limita la velocitat de moviment dels portadors en un semiconductor?

Els portadors són dispersats per vibracions de la xarxa (fonons) i per impureses ionitzades; aquestes col·lisions limiten la mobilitat, amb la dispersió per fonons dominant a alta temperatura i la dispersió per impureses a baixa temperatura i dopatge elevat.