Propriétés optiques et de transport des semi-conducteurs

La manière dont un semi-conducteur absorbe la lumière et dont ses porteurs dérivent et diffusent sous l'influence de champs détermine s'il constitue un bon détecteur, émetteur ou transistor, et ces propriétés découlent de sa structure de bande et de sa diffusion.

Definition

Les propriétés de transport d'un semi-conducteur décrivent comment les électrons et les trous se déplacent sous l'influence de champs électriques et de gradients de concentration, caractérisées par la mobilité, la conductivité et la diffusion ; les propriétés optiques décrivent comment le matériau absorbe et émet de la lumière à travers sa bande interdite, déterminée par la structure de bande et la nature directe de la bande interdite.

Scope

Ce sujet couvre le transport électrique et la réponse optique des semi-conducteurs : la dérive et la mobilité des porteurs, les mécanismes de diffusion (phonon et impureté) qui la limitent, la diffusion et la relation d'Einstein, l'effet Hall et la recombinaison. Du côté optique, il couvre l'absorption au bord de bande, la distinction entre les bandes interdites directes et indirectes pour l'émission lumineuse, les excitons et la photoconductivité. Il relie la structure de bande et les statistiques des porteurs de la zone aux propriétés mesurables pertinentes pour les dispositifs.

Core questions

• Qu'est-ce qui détermine la mobilité des porteurs, et quels mécanismes de diffusion la limitent ?
• Comment la dérive et la diffusion sont-elles liées par la relation d'Einstein ?
• Pourquoi la nature directe de la bande interdite contrôle-t-elle l'efficacité d'émission lumineuse d'un semi-conducteur ?
• Que sont les excitons et la photoconductivité, et comment façonnent-ils la réponse optique ?

Key concepts

• Dérive, mobilité et conductivité des porteurs
• Diffusion par phonons et impuretés
• Diffusion et relation d'Einstein
• Transitions optiques directes versus indirectes
• Excitons et photoconductivité

Clinical relevance

Les propriétés de transport et optiques décident des performances des dispositifs : la mobilité fixe la vitesse des transistors, la bande interdite directe ou indirecte détermine si un matériau peut fabriquer des LED et des lasers efficaces (comme dans l'arséniure de gallium versus le silicium), et l'absorption régit les photodétecteurs et les cellules solaires.

History

L'effet Hall (1879) a fourni un moyen précoce de mesurer le signe et la densité des porteurs ; la théorie quantique de l'absorption au bord de bande et des excitons s'est développée dans les années 1930, et la reconnaissance que les composés à bande interdite directe comme l'arséniure de gallium émettent efficacement de la lumière a sous-tendu l'optoélectronique qui a émergé à partir du milieu du XXe siècle.

Key figures

• Edwin Hall
• Albert Einstein
• Gregory Wannier

Seminal works

• ashcroft1976
• sze2007

Frequently asked questions

Pourquoi le silicium fabrique-t-il de mauvais dispositifs électroluminescents ?

Le silicium a une bande interdite indirecte, de sorte qu'un électron et un trou se recombinant à travers la bande interdite doivent également impliquer un phonon pour conserver l'impulsion ; cela rend la recombinaison radiative inefficace, c'est pourquoi les matériaux à bande interdite directe comme l'arséniure de gallium sont utilisés pour les LED et les lasers.

Qu'est-ce qui limite la vitesse de déplacement des porteurs dans un semi-conducteur ?

Les porteurs sont diffusés par les vibrations du réseau (phonons) et par les impuretés ionisées ; ces collisions limitent la mobilité, la diffusion par phonons dominant à haute température et la diffusion par impuretés à basse température et en cas de dopage élevé.