Optické a transportní vlastnosti polovodičů

Způsob, jakým polovodič absorbuje světlo a jak se jeho nosiče náboje pohybují a difundují pod vlivem polí, určuje, zda je vhodný jako detektor, emitor nebo tranzistor, přičemž tyto vlastnosti vyplývají z jeho pásové struktury a rozptylu.

Definition

Transportní vlastnosti polovodiče popisují, jak se elektrony a díry pohybují pod vlivem elektrických polí a koncentračních gradientů, charakterizované mobilitou, vodivostí a difuzí; optické vlastnosti popisují, jak materiál absorbuje a emituje světlo přes svůj zakázaný pás, což je dáno pásovou strukturou a přímostí zakázaného pásu.

Scope

Toto téma zahrnuje elektrický transport a optickou odezvu polovodičů: drift a mobilitu nosičů náboje, mechanismy rozptylu (fononový a příměsový), které ji omezují, difuzi a Einsteinův vztah, Hallův jev a rekombinaci. Z optického hlediska pokrývá absorpci na hraně pásu, rozdíl mezi přímými a nepřímými zakázanými pásy pro emisi světla, excitony a fotovodivost. Propojuje pásovou strukturu a statistiku nosičů náboje v dané oblasti s měřitelnými vlastnostmi relevantními pro zařízení.

Core questions

• Co určuje mobilitu nosičů náboje a jaké mechanismy rozptylu ji omezují?
• Jak spolu souvisí drift a difuze prostřednictvím Einsteinova vztahu?
• Proč přímá povaha zakázaného pásu ovlivňuje, zda polovodič efektivně emituje světlo?
• Co jsou excitony a fotovodivost a jak ovlivňují optickou odezvu?

Key concepts

• Drift, mobilita a vodivost nosičů náboje
• Fononový a příměsový rozptyl
• Difuze a Einsteinův vztah
• Přímé versus nepřímé optické přechody
• Excitony a fotovodivost

Clinical relevance

Transportní a optické vlastnosti rozhodují o výkonu zařízení: mobilita určuje rychlost tranzistoru, přímý nebo nepřímý zakázaný pás rozhoduje, zda materiál může tvořit účinné LED diody a lasery (jako arsenid gallia versus křemík), a absorpce řídí fotodetektory a solární články.

History

Hallův jev (1879) poskytl raný prostředek k měření znaménka a hustoty nosičů náboje; kvantová teorie absorpce na hraně pásu a excitonů se vyvinula ve 30. letech 20. století a poznání, že sloučeniny s přímým zakázaným pásem, jako je arsenid gallia, efektivně emitují světlo, podpořilo optoelektroniku, která se objevila od poloviny 20. století.

Key figures

• Edwin Hall
• Albert Einstein
• Gregory Wannier

Seminal works

• ashcroft1976
• sze2007

Frequently asked questions

Proč křemík tvoří špatná světlo emitující zařízení?

Křemík má nepřímý zakázaný pás, takže elektron a díra rekombinující přes zakázaný pás musí zahrnovat i fonon pro zachování hybnosti; to činí radiační rekombinaci neefektivní, a proto se pro LED diody a lasery používají materiály s přímým zakázaným pásem, jako je arsenid gallia.

Co omezuje rychlost pohybu nosičů náboje v polovodiči?

Nosiče náboje jsou rozptylovány mřížkovými vibracemi (fonony) a ionizovanými příměsemi; tyto srážky omezují mobilitu, přičemž fononový rozptyl dominuje při vysokých teplotách a příměsový rozptyl při nízkých teplotách a vysokém dopingu.