半導体の光学的特性と輸送特性

半導体が光を吸収する方法、および電界下でキャリアがドリフトおよび拡散する方法は、それが優れた検出器、エミッター、またはトランジスタになるかどうかを決定し、これらの特性はバンド構造と散乱に由来する。

Definition

半導体の輸送特性は、電子と正孔が電界と濃度勾配の下でどのように移動するかを記述し、移動度、導電率、拡散によって特徴付けられる。光学的特性は、材料がバンドギャップを介して光を吸収および放出する方法を記述し、バンド構造とギャップの直接性によって決定される。

Scope

このトピックでは、半導体の電気輸送と光応答について説明する。具体的には、キャリアのドリフトと移動度、それを制限する散乱メカニズム（フォノンと不純物）、拡散とアインシュタインの関係、ホール効果、および再結合である。光学的側面では、バンド端吸収、発光における直接ギャップと間接ギャップの区別、励起子、および光伝導について説明する。これは、この分野のバンド構造とキャリア統計を、測定可能なデバイス関連の特性に結びつける。

Core questions

• キャリア移動度を決定する要因と、それを制限する散乱メカニズムは何か？
• ドリフトと拡散はアインシュタインの関係を通じてどのように関連しているか？
• バンドギャップの直接性が、半導体が効率的に光を放出するかどうかを制御するのはなぜか？
• 励起子と光伝導とは何か、そしてそれらは光応答をどのように形成するか？

Key concepts

• キャリアのドリフト、移動度、および導電率
• フォノン散乱と不純物散乱
• 拡散とアインシュタインの関係
• 直接遷移と間接遷移の光学的比較
• 励起子と光伝導

Clinical relevance

輸送特性と光学的特性はデバイス性能を決定する。移動度はトランジスタの速度を設定し、直接ギャップまたは間接ギャップは材料が効率的なLEDやレーザー（ガリウムヒ素とシリコンのように）を作れるかどうかを決定し、吸収は光検出器と太陽電池を支配する。

History

ホール効果（1879年）は、キャリアの符号と密度を測定する初期の手段を提供した。バンド端吸収と励起子の量子論は1930年代に発展し、ガリウムヒ素のような直接ギャップ化合物が効率的に光を放出するという認識は、20世紀半ばから出現したオプトエレクトロニクスを支えた。

Key figures

• Edwin Hall
• Albert Einstein
• Gregory Wannier

Seminal works

• ashcroft1976
• sze2007

Frequently asked questions

シリコンが貧弱な発光デバイスを作るのはなぜか？

シリコンは間接バンドギャップを持つため、ギャップを介して再結合する電子と正孔は、運動量を保存するためにフォノンも関与しなければならない。これにより放射再結合が非効率になり、これがガリウムヒ素のような直接ギャップ材料がLEDやレーザーに使用される理由である。

半導体中のキャリアの移動速度を制限するものは何か？

キャリアは格子振動（フォノン）とイオン化不純物によって散乱される。これらの衝突は移動度を制限し、高温ではフォノン散乱が、低温および高ドーピングでは不純物散乱が支配的となる。