Puolijohteiden optiset ja kuljetusominaisuudet

Se, miten puolijohde absorboi valoa ja miten sen varauksenkuljettajat hakeutuvat ja diffundoituvat kenttien vaikutuksesta, määrää, onko siitä hyvä ilmaisin, emittoija vai transistori, ja nämä ominaisuudet johtuvat sen vyörakenteesta ja sironnasta.

Definition

Puolijohteen kuljetusominaisuudet kuvaavat, miten elektronit ja aukot liikkuvat sähkökenttien ja konsentraatiogradienttien vaikutuksesta, ja niitä luonnehtivat liikkuvuus, johtavuus ja diffuusio; optiset ominaisuudet kuvaavat, miten materiaali absorboi ja emittoi valoa vyökaistansa yli, mikä määräytyy vyörakenteen ja aukon suoruuden perusteella.

Scope

Tämä aihe kattaa puolijohteiden sähkökuljetuksen ja optisen vasteen: varauksenkuljettajien hakeutumisen ja liikkuvuuden, sitä rajoittavat sirontamekanismit (fononi- ja epäpuhtaussironta), diffuusion ja Einsteinin relaation, Hall-ilmiön sekä rekombinaation. Optisella puolella se kattaa vyökaistan reunan absorption, suorien ja epäsuorien aukkojen eron valon emissiossa, eksitonit ja valojohtavuuden. Se yhdistää alueen vyörakenteen ja varauksenkuljettajien statistiikan mitattavissa oleviin laitteiden kannalta relevantteihin ominaisuuksiin.

Core questions

• Mikä määrää varauksenkuljettajien liikkuvuuden, ja mitkä sirontamekanismit rajoittavat sitä?
• Miten hakeutuminen ja diffuusio liittyvät toisiinsa Einsteinin relaation kautta?
• Miksi vyökaistan suoruus säätelee sitä, emittoiko puolijohde valoa tehokkaasti?
• Mitä ovat eksitonit ja valojohtavuus, ja miten ne muokkaavat optista vastetta?

Key concepts

• Varauksenkuljettajien hakeutuminen, liikkuvuus ja johtavuus
• Fononi- ja epäpuhtaussironta
• Diffuusio ja Einsteinin relaatio
• Suorat versus epäsuorat optiset siirtymät
• Eksitonit ja valojohtavuus

Clinical relevance

Kuljetus- ja optiset ominaisuudet ratkaisevat laitteen suorituskyvyn: liikkuvuus määrää transistorin nopeuden, suora tai epäsuora aukko määrää, voiko materiaalista valmistaa tehokkaita LEDejä ja lasereita (kuten galliumarsenidista piihin verrattuna), ja absorptio ohjaa valoilmaisimia ja aurinkokennoja.

History

Hall-ilmiö (1879) tarjosi varhaisen keinon mitata varauksenkuljettajien merkkiä ja tiheyttä; vyökaistan reunan absorption ja eksitonien kvanttiteoria kehittyi 1930-luvulla, ja tunnistaminen, että suoran aukon yhdisteet, kuten galliumarsenidi, emittoivat valoa tehokkaasti, tuki optoelektroniikan kehitystä 1900-luvun puolivälistä lähtien.

Key figures

• Edwin Hall
• Albert Einstein
• Gregory Wannier

Seminal works

• ashcroft1976
• sze2007

Frequently asked questions

Miksi pii tekee huonoja valoa emittoivia laitteita?

Piillä on epäsuora vyökaista, joten aukon yli rekombinoituvan elektronin ja aukon on myös osallistuttava fononiin liikemäärän säilyttämiseksi; tämä tekee säteilevästä rekombinaatiosta tehotonta, minkä vuoksi suoran aukon materiaaleja, kuten galliumarsenidia, käytetään LEDeissä ja lasereissa.

Mikä rajoittaa varauksenkuljettajien liikkumisnopeutta puolijohteessa?

Varauksenkuljettajat siroavat hilaverähtelyistä (fononeista) ja ionisoituneista epäpuhtauksista; nämä törmäykset rajoittavat liikkuvuutta, fononisironnan hallitessa korkeissa lämpötiloissa ja epäpuhtaussironnan matalissa lämpötiloissa ja raskaassa dopingissa.