خواص نوری و ترابردی نیمهرساناها
نحوه جذب نور توسط نیمهرسانا و چگونگی رانش و نفوذ حاملهای آن تحت تأثیر میدانها، تعیینکننده مناسب بودن آن برای ساخت آشکارساز، گسیلکننده یا ترانزیستور است، و این خواص از ساختار نواری و پراکندگی آن نشأت میگیرد.
Definition
خواص ترابردی یک نیمهرسانا چگونگی حرکت الکترونها و حفرهها را تحت میدانهای الکتریکی و گرادیانهای غلظت توصیف میکند که با تحرکپذیری، رسانندگی و نفوذ مشخص میشود؛ خواص نوری چگونگی جذب و گسیل نور توسط ماده را در سراسر گاف نواری آن توصیف میکند که توسط ساختار نواری و مستقیم بودن گاف تعیین میشود.
Scope
این مبحث به ترابرد الکتریکی و پاسخ نوری نیمهرساناها میپردازد: رانش و تحرکپذیری حاملها، سازوکارهای پراکندگی (فوتون و ناخالصی) که آن را محدود میکنند، نفوذ و رابطه اینشتین، اثر هال، و بازترکیب. در بخش نوری، جذب لبه نوار، تمایز بین گافهای مستقیم و غیرمستقیم برای گسیل نور، اگزیتونها، و رسانندگی نوری را پوشش میدهد. این مبحث ساختار نواری و آمار حاملها را به خواص قابل اندازهگیری مرتبط با قطعات متصل میکند.
Core questions
- چه عواملی تحرکپذیری حاملها را تعیین میکند و کدام سازوکارهای پراکندگی آن را محدود میکنند؟
- رانش و نفوذ چگونه از طریق رابطه اینشتین به هم مرتبط میشوند؟
- چرا مستقیم بودن گاف نواری کنترل میکند که آیا یک نیمهرسانا نور را به طور کارآمد گسیل میکند؟
- اگزیتونها و رسانندگی نوری چه هستند و چگونه پاسخ نوری را شکل میدهند؟
Key concepts
- رانش، تحرکپذیری و رسانندگی حاملها
- پراکندگی فونون و ناخالصی
- نفوذ و رابطه اینشتین
- گذارهای نوری مستقیم در مقابل غیرمستقیم
- اگزیتونها و رسانندگی نوری
Clinical relevance
خواص ترابردی و نوری عملکرد قطعه را تعیین میکنند: تحرکپذیری سرعت ترانزیستور را تنظیم میکند، گاف مستقیم یا غیرمستقیم تعیین میکند که آیا یک ماده میتواند LEDها و لیزرهای کارآمد بسازد (مانند آرسنید گالیم در مقابل سیلیکون)، و جذب، فوتوآشکارسازها و سلولهای خورشیدی را کنترل میکند.
History
اثر هال (1879) ابزاری اولیه برای اندازهگیری علامت و چگالی حاملها فراهم کرد؛ نظریه کوانتومی جذب لبه نوار و اگزیتونها در دهه 1930 توسعه یافت، و تشخیص اینکه ترکیبات با گاف مستقیم مانند آرسنید گالیم نور را به طور کارآمد گسیل میکنند، زیربنای اپتوالکترونیک بود که از اواسط قرن بیستم پدیدار شد.
Key figures
- Edwin Hall
- Albert Einstein
- Gregory Wannier
Related topics
Seminal works
- ashcroft1976
- sze2007
Frequently asked questions
- چرا سیلیکون قطعات گسیلکننده نور ضعیفی میسازد؟
- سیلیکون دارای گاف نواری غیرمستقیم است، بنابراین یک الکترون و حفره که در سراسر گاف بازترکیب میشوند، باید شامل یک فونون نیز باشند تا تکانه حفظ شود؛ این امر بازترکیب تابشی را ناکارآمد میکند، به همین دلیل مواد با گاف مستقیم مانند آرسنید گالیم برای LEDها و لیزرها استفاده میشوند.
- چه چیزی سرعت حرکت حاملها را در یک نیمهرسانا محدود میکند؟
- حاملها توسط ارتعاشات شبکه (فونونها) و ناخالصیهای یونیزه شده پراکنده میشوند؛ این برخوردها تحرکپذیری را محدود میکنند، به طوری که پراکندگی فونون در دمای بالا و پراکندگی ناخالصی در دمای پایین و دوپینگ سنگین غالب است.