Pooljuhtide optilised ja transpordiomadused

See, kuidas pooljuht valgust neelab ning kuidas selle laengukandjad väljade mõjul triivivad ja difundeeruvad, määrab, kas sellest saab hea detektor, emitter või transistor. Need omadused tulenevad pooljuhi tsoonistruktuurist ja hajumisest.

Definition

Pooljuhi transpordiomadused kirjeldavad, kuidas elektronid ja augud liiguvad elektriväljades ja kontsentratsioonigradientides, mida iseloomustavad liikuvus, juhtivus ja difusioon; optilised omadused kirjeldavad, kuidas materjal neelab ja kiirgab valgust üle oma keelutsooni, mis on määratud tsoonistruktuuri ja keelutsooni otsesusega.

Scope

See teema hõlmab pooljuhtide elektrilist transporti ja optilist vastust: laengukandjate triivi ja liikuvust, seda piiravaid hajumismehhanisme (foonon- ja lisandihajumine), difusiooni ja Einsteini seost, Halli efekti ning rekombinatsiooni. Optilisest küljest käsitletakse tsooniserva neeldumist, otseste ja kaudsete keelutsoonide eristamist valguse emissiooni seisukohalt, eksitoneid ja fotokonduktiivsust. See seostab tsoonistruktuuri ja laengukandjate statistika mõõdetavate seadmele oluliste omadustega.

Core questions

• Mis määrab laengukandjate liikuvuse ja millised hajumismehhanismid seda piiravad?
• Kuidas on triiv ja difusioon Einsteini seose kaudu seotud?
• Miks kontrollib keelutsooni otsesus seda, kas pooljuht kiirgab valgust efektiivselt?
• Mis on eksitonid ja fotokonduktiivsus ning kuidas need optilist vastust kujundavad?

Key concepts

• Laengukandjate triiv, liikuvus ja juhtivus
• Foonon- ja lisandihajumine
• Difusioon ja Einsteini seos
• Otsesed versus kaudsed optilised üleminekud
• Eksitonid ja fotokonduktiivsus

Clinical relevance

Transpordi- ja optilised omadused määravad seadme jõudluse: liikuvus määrab transistori kiiruse, otsene või kaudne keelutsoon määrab, kas materjalist saab valmistada efektiivseid LED-e ja lasereid (nagu galliumarseniidi ja räni puhul), ning neeldumine reguleerib fotodetektoreid ja päikesepatareisid.

History

Halli efekt (1879) pakkus varase vahendi laengukandjate märgi ja tiheduse mõõtmiseks; tsooniserva neeldumise ja eksitonide kvantteooria arenes 1930. aastatel ning arusaam, et otsese keelutsooniga ühendid nagu galliumarseniid kiirgavad valgust efektiivselt, oli aluseks optoelektroonikale, mis tekkis 20. sajandi keskpaigast alates.

Key figures

• Edwin Hall
• Albert Einstein
• Gregory Wannier

Seminal works

• ashcroft1976
• sze2007

Frequently asked questions

Miks on räni halb valgust kiirgavates seadmetes?

Ränil on kaudne keelutsoon, seega peavad üle keelutsooni rekombineeruvad elektron ja auk hõlmama ka foononi, et impulss säiliks; see muudab radiatiivse rekombinatsiooni ebaefektiivseks, mistõttu kasutatakse LED-ide ja laserite jaoks otsese keelutsooniga materjale nagu galliumarseniid.

Mis piirab laengukandjate liikumiskiirust pooljuhis?

Laengukandjad hajuvad võrevõnkumiste (foononite) ja ioniseeritud lisandite tõttu; need kokkupõrked piiravad liikuvust, kusjuures foononhajumine domineerib kõrgel temperatuuril ning lisandihajumine madalal temperatuuril ja tugeva legeerimise korral.