Sifat Optik dan Transportasi Semikonduktor

Bagaimana semikonduktor menyerap cahaya dan bagaimana pembawa muatannya bergeser dan berdifusi di bawah medan menentukan apakah semikonduktor tersebut menjadi detektor, emitor, atau transistor yang baik, dan sifat-sifat ini berasal dari struktur pita dan hamburannya.

Definition

Sifat transportasi semikonduktor menjelaskan bagaimana elektron dan lubang bergerak di bawah medan listrik dan gradien konsentrasi, yang dicirikan oleh mobilitas, konduktivitas, dan difusi; sifat optik menjelaskan bagaimana material menyerap dan memancarkan cahaya melintasi celah pita, yang ditentukan oleh struktur pita dan kedirektan celah tersebut.

Scope

Topik ini mencakup transportasi listrik dan respons optik semikonduktor: pergeseran dan mobilitas pembawa muatan, mekanisme hamburan (fonon dan impuritas) yang membatasinya, difusi dan hubungan Einstein, efek Hall, dan rekombinasi. Dari sisi optik, topik ini mencakup penyerapan tepi pita, perbedaan antara celah langsung dan tidak langsung untuk emisi cahaya, eksiton, dan fotokonduktivitas. Topik ini menghubungkan struktur pita dan statistik pembawa muatan dari area tersebut dengan sifat-sifat yang relevan dengan perangkat yang dapat diukur.

Core questions

• Apa yang menentukan mobilitas pembawa muatan, dan mekanisme hamburan apa yang membatasinya?
• Bagaimana pergeseran dan difusi saling terkait melalui hubungan Einstein?
• Mengapa kedirektan celah pita mengontrol apakah semikonduktor memancarkan cahaya secara efisien?
• Apa itu eksiton dan fotokonduktivitas, dan bagaimana keduanya membentuk respons optik?

Key concepts

• Pergeseran, mobilitas, dan konduktivitas pembawa muatan
• Hamburan fonon dan impuritas
• Difusi dan hubungan Einstein
• Transisi optik langsung versus tidak langsung
• Eksiton dan fotokonduktivitas

Clinical relevance

Sifat transportasi dan optik menentukan kinerja perangkat: mobilitas menentukan kecepatan transistor, celah langsung atau tidak langsung menentukan apakah suatu material dapat membuat LED dan laser yang efisien (seperti pada galium arsenida versus silikon), dan penyerapan mengatur fotodetektor dan sel surya.

History

Efek Hall (1879) menyediakan cara awal untuk mengukur tanda dan kerapatan pembawa muatan; teori kuantum penyerapan tepi pita dan eksiton berkembang pada tahun 1930-an, dan pengakuan bahwa senyawa celah langsung seperti galium arsenida memancarkan cahaya secara efisien menjadi dasar optoelektronik yang muncul sejak pertengahan abad kedua puluh.

Key figures

• Edwin Hall
• Albert Einstein
• Gregory Wannier

Seminal works

• ashcroft1976
• sze2007

Frequently asked questions

Mengapa silikon membuat perangkat pemancar cahaya yang buruk?

Silikon memiliki celah pita tidak langsung, sehingga elektron dan lubang yang bergabung kembali melintasi celah juga harus melibatkan fonon untuk menghemat momentum; ini membuat rekombinasi radiatif tidak efisien, itulah sebabnya material celah langsung seperti galium arsenida digunakan untuk LED dan laser.

Apa yang membatasi seberapa cepat pembawa muatan bergerak dalam semikonduktor?

Pembawa muatan dihamburkan oleh getaran kisi (fonon) dan oleh impuritas terionisasi; tumbukan ini membatasi mobilitas, dengan hamburan fonon mendominasi pada suhu tinggi dan hamburan impuritas pada suhu rendah dan doping berat.