Proprietà ottiche e di trasporto dei semiconduttori

Il modo in cui un semiconduttore assorbe la luce e come i suoi portatori di carica derivano e diffondono sotto l'influenza di campi determina se esso sia un buon rivelatore, emettitore o transistore, e queste proprietà derivano dalla sua struttura a bande e dallo scattering.

Definition

Le proprietà di trasporto di un semiconduttore descrivono come elettroni e lacune si muovono sotto campi elettrici e gradienti di concentrazione, caratterizzate da mobilità, conduttività e diffusione; le proprietà ottiche descrivono come il materiale assorbe ed emette luce attraverso il suo band gap, determinato dalla struttura a bande e dalla direttezza del gap.

Scope

Questo argomento tratta il trasporto elettrico e la risposta ottica dei semiconduttori: la deriva e la mobilità dei portatori, i meccanismi di scattering (fononico e da impurità) che la limitano, la diffusione e la relazione di Einstein, l'effetto Hall e la ricombinazione. Dal punto di vista ottico, copre l'assorbimento al bordo banda, la distinzione tra gap diretti e indiretti per l'emissione di luce, gli eccitoni e la fotoconduttività. Collega la struttura a bande e la statistica dei portatori dell'area a proprietà misurabili rilevanti per i dispositivi.

Core questions

• Cosa determina la mobilità dei portatori e quali meccanismi di scattering la limitano?
• Come sono correlate deriva e diffusione attraverso la relazione di Einstein?
• Perché la direttezza del band gap controlla se un semiconduttore emette luce in modo efficiente?
• Cosa sono gli eccitoni e la fotoconduttività, e come modellano la risposta ottica?

Key concepts

• Deriva, mobilità e conduttività dei portatori
• Scattering fononico e da impurità
• Diffusione e relazione di Einstein
• Transizioni ottiche dirette versus indirette
• Eccitoni e fotoconduttività

Clinical relevance

Le proprietà di trasporto e ottiche decidono le prestazioni del dispositivo: la mobilità imposta la velocità del transistore, il gap diretto o indiretto determina se un materiale può realizzare LED e laser efficienti (come nell'arseniuro di gallio rispetto al silicio), e l'assorbimento governa i fotorivelatori e le celle solari.

History

L'effetto Hall (1879) fornì un primo mezzo per misurare il segno e la densità dei portatori; la teoria quantistica dell'assorbimento al bordo banda e degli eccitoni si sviluppò negli anni '30, e il riconoscimento che i composti a gap diretto come l'arseniuro di gallio emettono luce in modo efficiente ha sostenuto l'optoelettronica emersa dalla metà del ventesimo secolo.

Key figures

• Edwin Hall
• Albert Einstein
• Gregory Wannier

Seminal works

• ashcroft1976
• sze2007

Frequently asked questions

Perché il silicio produce dispositivi a emissione di luce scadenti?

Il silicio ha un band gap indiretto, quindi un elettrone e una lacuna che si ricombinano attraverso il gap devono coinvolgere anche un fonone per conservare la quantità di moto; questo rende inefficiente la ricombinazione radiativa, motivo per cui materiali a gap diretto come l'arseniuro di gallio sono usati per LED e laser.

Cosa limita la velocità di movimento dei portatori in un semiconduttore?

I portatori sono diffusi dalle vibrazioni reticolari (fononi) e dalle impurità ionizzate; queste collisioni limitano la mobilità, con lo scattering fononico che domina ad alta temperatura e lo scattering da impurità a bassa temperatura e forte drogaggio.