Optička i transportna svojstva poluvodiča

Način na koji poluvodič apsorbira svjetlost te kako se njegovi nositelji naboja gibaju i difundiraju pod utjecajem polja određuje hoće li biti dobar detektor, emiter ili tranzistor, a ta svojstva proizlaze iz njegove strukture vrpci i raspršenja.

Definition

Transportna svojstva poluvodiča opisuju kako se elektroni i šupljine gibaju pod utjecajem električnih polja i gradijenata koncentracije, a karakteriziraju ih mobilnost, vodljivost i difuzija; optička svojstva opisuju kako materijal apsorbira i emitira svjetlost preko svog zabranjenog procijepa, što je određeno strukturom vrpci i direktnošću procijepa.

Scope

Ova tema obuhvaća električni transport i optički odziv poluvodiča: gibanje i mobilnost nositelja naboja, mehanizme raspršenja (fononsko i nečistoćno) koji ih ograničavaju, difuziju i Einsteinovu relaciju, Hallov efekt te rekombinaciju. S optičke strane obuhvaća apsorpciju na rubu vrpce, razliku između direktnih i indirektnih procijepa za emisiju svjetlosti, eksitone i fotovodljivost. Povezuje strukturu vrpci i statistiku nositelja naboja s mjerljivim svojstvima relevantnim za uređaje.

Core questions

• Što određuje mobilnost nositelja naboja i koji je mehanizmi raspršenja ograničavaju?
• Kako su gibanje i difuzija povezani putem Einsteinove relacije?
• Zašto direktnost zabranjenog procijepa kontrolira učinkovitost emisije svjetlosti iz poluvodiča?
• Što su eksitoni i fotovodljivost te kako oblikuju optički odziv?

Key concepts

• Gibanje, mobilnost i vodljivost nositelja naboja
• Fononsko i nečistoćno raspršenje
• Difuzija i Einsteinova relacija
• Direktni naspram indirektnih optičkih prijelaza
• Eksitoni i fotovodljivost

Clinical relevance

Transportna i optička svojstva određuju performanse uređaja: mobilnost određuje brzinu tranzistora, direktni ili indirektni procijep određuje može li materijal proizvesti učinkovite LED diode i lasere (kao kod galijevog arsenida naspram silicija), a apsorpcija upravlja fotodetektorima i solarnim ćelijama.

History

Hallov efekt (1879.) pružio je rano sredstvo za mjerenje predznaka i gustoće nositelja naboja; kvantna teorija apsorpcije na rubu vrpce i eksitona razvijena je 1930-ih, a prepoznavanje da spojevi s direktnim procijepom poput galijevog arsenida učinkovito emitiraju svjetlost poduprlo je optoelektroniku koja se pojavila sredinom dvadesetog stoljeća.

Key figures

• Edwin Hall
• Albert Einstein
• Gregory Wannier

Seminal works

• ashcroft1976
• sze2007

Frequently asked questions

Zašto silicij proizvodi loše svjetleće uređaje?

Silicij ima indirektni zabranjeni procijep, pa rekombinacija elektrona i šupljine preko procijepa mora uključivati i fonon radi očuvanja momenta; to čini radijativnu rekombinaciju neučinkovitom, zbog čega se materijali s direktnim procijepom poput galijevog arsenida koriste za LED diode i lasere.

Što ograničava brzinu gibanja nositelja naboja u poluvodiču?

Nositelji naboja raspršuju se vibracijama rešetke (fononima) i ioniziranim nečistoćama; ti sudari ograničavaju mobilnost, pri čemu fononsko raspršenje dominira pri visokim temperaturama, a nečistoćno raspršenje pri niskim temperaturama i visokoj dopiranosti.