תכונות אופטיות ותכונות הובלה של מוליכים למחצה

האופן שבו מוליך למחצה בולע אור והאופן שבו נושאי המטען שלו נסחפים ומתפזרים תחת השפעת שדות קובעים אם הוא מתאים לשמש כגלאי, פולט או טרנזיסטור, ותכונות אלו נובעות ממבנה הפסים והפיזורים שלו.

Definition

תכונות ההובלה של מוליך למחצה מתארות כיצד אלקטרונים וחורים נעים תחת שדות חשמליים וגרדיאנטים של ריכוז, המאופיינות על ידי ניידות, מוליכות ודיפוזיה; התכונות האופטיות מתארות כיצד החומר בולע ופולט אור על פני פער האנרגיה שלו, הנקבע על ידי מבנה הפסים וישירות הפער.

Scope

נושא זה עוסק בהובלה חשמלית ובתגובה אופטית של מוליכים למחצה: סחיפת נושאי מטען וניידותם, מנגנוני הפיזור (פונונים ואי-ניקיונות) המגבילים אותה, דיפוזיה ויחס איינשטיין, אפקט הול, ורקומבינציה. בצד האופטי הוא מכסה בליעה בקצה הפס, ההבחנה בין פערים ישירים ועקיפים לפליטת אור, אקסיטונים, ופוטו-מוליכות. הוא מקשר את מבנה הפסים וסטטיסטיקת נושאי המטען של התחום לתכונות מדידות הרלוונטיות להתקנים.

Core questions

• מה קובע את ניידות נושאי המטען, ואילו מנגנוני פיזור מגבילים אותה?
• כיצד קשורות סחיפה ודיפוזיה באמצעות יחס איינשטיין?
• מדוע ישירות פער האנרגיה קובעת אם מוליך למחצה פולט אור ביעילות?
• מהם אקסיטונים ופוטו-מוליכות, וכיצד הם מעצבים את התגובה האופטית?

Key concepts

• סחיפת נושאי מטען, ניידות ומוליכות
• פיזור פונונים ואי-ניקיונות
• דיפוזיה ויחס איינשטיין
• מעברים אופטיים ישירים לעומת עקיפים
• אקסיטונים ופוטו-מוליכות

Clinical relevance

תכונות ההובלה והתכונות האופטיות קובעות את ביצועי ההתקן: ניידות קובעת את מהירות הטרנזיסטור, הפער הישיר או העקיף קובע אם חומר יכול לייצר נוריות LED ולייזרים יעילים (כמו בגליום ארסניד לעומת סיליקון), ובליעה שולטת בפוטו-גלאים ובתאים סולאריים.

History

אפקט הול (1879) סיפק אמצעי מוקדם למדידת סימן וצפיפות נושאי המטען; התיאוריה הקוונטית של בליעה בקצה הפס ואקסיטונים התפתחה בשנות ה-30 של המאה ה-20, וההכרה שתרכובות בעלות פער ישיר כמו גליום ארסניד פולטות אור ביעילות עמדה בבסיס האופטו-אלקטרוניקה שהופיעה מאמצע המאה ה-20.

Key figures

• Edwin Hall
• Albert Einstein
• Gregory Wannier

Seminal works

• ashcroft1976
• sze2007

Frequently asked questions

מדוע סיליקון מייצר התקני פליטת אור ירודים?

לסיליקון פער אנרגיה עקיף, ולכן אלקטרון וחור המבצעים רקומבינציה על פני הפער חייבים לערב גם פונון כדי לשמר תנע; זה הופך את הרקומבינציה הקרינתית ללא יעילה, ולכן חומרים בעלי פער ישיר כמו גליום ארסניד משמשים לנוריות LED ולייזרים.

מה מגביל את מהירות תנועת נושאי המטען במוליך למחצה?

נושאי מטען מתפזרים על ידי תנודות סריג (פונונים) ועל ידי אי-ניקיונות מיוננים; התנגשויות אלו מגבילות את הניידות, כאשר פיזור פונונים שולט בטמפרטורה גבוהה ופיזור אי-ניקיונות שולט בטמפרטורה נמוכה ובאילוח כבד.