Optiske og transportmæssige egenskaber ved halvledere

Hvordan en halvleder absorberer lys, og hvordan dens ladningsbærere driver og diffunderer under felter, bestemmer, om den udgør en god detektor, emitter eller transistor, og disse egenskaber følger af dens båndstruktur og spredning.

Definition

Transportegenskaberne for en halvleder beskriver, hvordan elektroner og huller bevæger sig under elektriske felter og koncentrationsgradienter, karakteriseret ved mobilitet, konduktivitet og diffusion; de optiske egenskaber beskriver, hvordan materialet absorberer og udsender lys over dets båndgab, bestemt af båndstrukturen og båndgabbets direktehed.

Scope

Dette emne dækker den elektriske transport og optiske respons af halvledere: ladningsbærerdrift og mobilitet, spredningsmekanismerne (fonon- og urenhedsspredning), der begrænser den, diffusion og Einstein-relationen, Hall-effekten og rekombination. På den optiske side dækker det båndkantsabsorption, forskellen mellem direkte og indirekte båndgab for lysudsendelse, excitoner og fotokonduktivitet. Det forbinder områdets båndstruktur og ladningsbærerstatistik med målbare enhedsrelevante egenskaber.

Core questions

• Hvad bestemmer ladningsbærermobilitet, og hvilke spredningsmekanismer begrænser den?
• Hvordan er drift og diffusion relateret gennem Einstein-relationen?
• Hvorfor styrer båndgabbets direktehed, om en halvleder udsender lys effektivt?
• Hvad er excitoner og fotokonduktivitet, og hvordan former de den optiske respons?

Key concepts

• Ladningsbærerdrift, mobilitet og konduktivitet
• Fonon- og urenhedsspredning
• Diffusion og Einstein-relationen
• Direkte versus indirekte optiske overgange
• Excitoner og fotokonduktivitet

Clinical relevance

Transport- og optiske egenskaber bestemmer enhedens ydeevne: mobilitet sætter transistorens hastighed, det direkte eller indirekte båndgab bestemmer, om et materiale kan lave effektive LED'er og lasere (som i galliumarsenid versus silicium), og absorption styrer fotodetektorer og solceller.

History

Hall-effekten (1879) udgjorde et tidligt middel til at måle ladningsbærersign og -densitet; kvanteteorien for båndkantsabsorption og excitoner udviklede sig i 1930'erne, og erkendelsen af, at direkte-gab-forbindelser som galliumarsenid udsender lys effektivt, understøttede den optoelektronik, der opstod fra midten af det tyvende århundrede.

Key figures

• Edwin Hall
• Albert Einstein
• Gregory Wannier

Seminal works

• ashcroft1976
• sze2007

Frequently asked questions

Hvorfor laver silicium dårlige lysudsendende enheder?

Silicium har et indirekte båndgab, så en elektron og et hul, der rekombinerer over gabet, skal også involvere en fonon for at bevare impuls; dette gør strålingsrekombination ineffektiv, hvilket er grunden til, at direkte-gab-materialer som galliumarsenid bruges til LED'er og lasere.

Hvad begrænser, hvor hurtigt ladningsbærere bevæger sig i en halvleder?

Ladningsbærere spredes af gittervibrationer (fononer) og af ioniserede urenheder; disse kollisioner begrænser mobiliteten, hvor fononspredning dominerer ved høj temperatur og urenhedsspredning ved lav temperatur og kraftig dotering.