Οπτικές και Μεταφορικές Ιδιότητες Ημιαγωγών

Το πώς ένας ημιαγωγός απορροφά φως και το πώς οι φορείς του παρασύρονται και διαχέονται υπό την επίδραση πεδίων καθορίζει αν αποτελεί καλό ανιχνευτή, εκπομπό ή τρανζίστορ, και αυτές οι ιδιότητες προκύπτουν από την ενεργειακή του δομή ζωνών και τη σκέδαση.

Definition

Οι μεταφορικές ιδιότητες ενός ημιαγωγού περιγράφουν πώς κινούνται τα ηλεκτρόνια και οι οπές υπό την επίδραση ηλεκτρικών πεδίων και κλίσεων συγκέντρωσης, χαρακτηριζόμενες από την κινητικότητα, την αγωγιμότητα και τη διάχυση· οι οπτικές ιδιότητες περιγράφουν πώς το υλικό απορροφά και εκπέμπει φως σε όλο το ενεργειακό του χάσμα, το οποίο καθορίζεται από την ενεργειακή δομή ζωνών και την αμεσότητα του χάσματος.

Scope

Αυτό το θέμα καλύπτει την ηλεκτρική μεταφορά και την οπτική απόκριση των ημιαγωγών: την παράσυρση και την κινητικότητα των φορέων, τους μηχανισμούς σκέδασης (φωνονική και προσμίξεων) που την περιορίζουν, τη διάχυση και τη σχέση Einstein, το φαινόμενο Hall, και την ανασύνδεση. Από την οπτική πλευρά καλύπτει την απορρόφηση στο όριο ζώνης, τη διάκριση μεταξύ άμεσων και έμμεσων ενεργειακών χασμάτων για την εκπομπή φωτός, τα εξιτόνια, και τη φωτοαγωγιμότητα. Συνδέει την ενεργειακή δομή ζωνών και τη στατιστική των φορέων της περιοχής με μετρήσιμες ιδιότητες σχετικές με τις διατάξεις.

Core questions

• Τι καθορίζει την κινητικότητα των φορέων, και ποιοι μηχανισμοί σκέδασης την περιορίζουν;
• Πώς σχετίζονται η παράσυρση και η διάχυση μέσω της σχέσης Einstein;
• Γιατί η αμεσότητα του ενεργειακού χάσματος ελέγχει αν ένας ημιαγωγός εκπέμπει φως αποτελεσματικά;
• Τι είναι τα εξιτόνια και η φωτοαγωγιμότητα, και πώς διαμορφώνουν την οπτική απόκριση;

Key concepts

• Παράσυρση, κινητικότητα και αγωγιμότητα φορέων
• Φωνονική σκέδαση και σκέδαση προσμίξεων
• Διάχυση και η σχέση Einstein
• Άμεσες έναντι έμμεσων οπτικών μεταβάσεων
• Εξιτόνια και φωτοαγωγιμότητα

Clinical relevance

Οι μεταφορικές και οπτικές ιδιότητες καθορίζουν την απόδοση της διάταξης: η κινητικότητα καθορίζει την ταχύτητα του τρανζίστορ, το άμεσο ή έμμεσο χάσμα καθορίζει αν ένα υλικό μπορεί να παράγει αποδοτικές LED και λέιζερ (όπως στο αρσενίδιο του γαλλίου έναντι του πυριτίου), και η απορρόφηση διέπει τους φωτοανιχνευτές και τα ηλιακά κύτταρα.

History

Το φαινόμενο Hall (1879) παρείχε ένα πρώιμο μέσο μέτρησης του προσήμου και της πυκνότητας των φορέων· η κβαντική θεωρία της απορρόφησης στο όριο ζώνης και των εξιτονίων αναπτύχθηκε τη δεκαετία του 1930, και η αναγνώριση ότι ενώσεις άμεσου χάσματος όπως το αρσενίδιο του γαλλίου εκπέμπουν φως αποτελεσματικά αποτέλεσε τη βάση της οπτοηλεκτρονικής που αναδύθηκε από τα μέσα του εικοστού αιώνα.

Key figures

• Edwin Hall
• Albert Einstein
• Gregory Wannier

Seminal works

• ashcroft1976
• sze2007

Frequently asked questions

Γιατί το πυρίτιο παράγει φτωχές διατάξεις εκπομπής φωτός;

Το πυρίτιο έχει έμμεσο ενεργειακό χάσμα, οπότε ένα ηλεκτρόνιο και μια οπή που ανασυνδέονται μέσω του χάσματος πρέπει επίσης να περιλαμβάνουν ένα φωνόνιο για τη διατήρηση της ορμής· αυτό καθιστά την ακτινοβολούσα ανασύνδεση αναποτελεσματική, γι' αυτό χρησιμοποιούνται υλικά άμεσου χάσματος όπως το αρσενίδιο του γαλλίου για LED και λέιζερ.

Τι περιορίζει το πόσο γρήγορα κινούνται οι φορείς σε έναν ημιαγωγό;

Οι φορείς σκεδάζονται από τις ταλαντώσεις του πλέγματος (φωνόνια) και από ιονισμένες προσμίξεις· αυτές οι συγκρούσεις περιορίζουν την κινητικότητα, με τη φωνονική σκέδαση να κυριαρχεί σε υψηλή θερμοκρασία και τη σκέδαση προσμίξεων σε χαμηλή θερμοκρασία και βαριά πρόσμιξη.