Pusvadītāju optiskās un transporta īpašības

Tas, kā pusvadītājs absorbē gaismu un kā tā nēsātāji dreifē un difundē lauku ietekmē, nosaka, vai tas ir piemērots detektors, emitētājs vai tranzistors, un šīs īpašības izriet no tā joslu struktūras un izkliedes.

Definition

Pusvadītāja transporta īpašības apraksta, kā elektroni un caurumi pārvietojas elektriskajos laukos un koncentrācijas gradientos, ko raksturo mobilitāte, vadītspēja un difūzija; optiskās īpašības apraksta, kā materiāls absorbē un izstaro gaismu visā tā joslu spraugā, ko nosaka joslu struktūra un spraugas tiešums.

Scope

Šī tēma aptver pusvadītāju elektrisko transportu un optisko reakciju: nēsātāju dreifu un mobilitāti, to ierobežojošos izkliedes mehānismus (fononu un piemaisījumu), difūziju un Einšteina sakarību, Hola efektu un rekombināciju. Optiskajā pusē tā aptver joslas malas absorbciju, atšķirību starp tiešajām un netiešajām spraugām gaismas emisijai, eksitoniem un fotovadītspēju. Tā saista apgabala joslu struktūru un nēsātāju statistiku ar izmērāmām ierīcēm atbilstošām īpašībām.

Core questions

• Kas nosaka nēsātāju mobilitāti un kādi izkliedes mehānismi to ierobežo?
• Kā dreifs un difūzija ir saistīti ar Einšteina sakarību?
• Kāpēc joslas spraugas tiešums kontrolē, vai pusvadītājs efektīvi izstaro gaismu?
• Kas ir eksitoni un fotovadītspēja, un kā tie veido optisko reakciju?

Key concepts

• Nēsātāju dreifs, mobilitāte un vadītspēja
• Fononu un piemaisījumu izkliede
• Difūzija un Einšteina sakarība
• Tiešās un netiešās optiskās pārejas
• Eksitoni un fotovadītspēja

Clinical relevance

Transporta un optiskās īpašības nosaka ierīces veiktspēju: mobilitāte nosaka tranzistora ātrumu, tiešā vai netiešā sprauga nosaka, vai materiāls var veidot efektīvas gaismas diodes (LED) un lāzerus (kā gallija arsenīds pret silīciju), un absorbcija regulē fotodetektorus un saules baterijas.

History

Hola efekts (1879) nodrošināja agrīnu līdzekli nēsātāju zīmes un blīvuma mērīšanai; joslas malas absorbcijas un eksitonu kvantu teorija tika izstrādāta 20. gadsimta 30. gados, un atzinums, ka tiešās spraugas savienojumi, piemēram, gallija arsenīds, efektīvi izstaro gaismu, bija pamatā optoelektronikai, kas parādījās 20. gadsimta vidū.

Key figures

• Edwin Hall
• Albert Einstein
• Gregory Wannier

Seminal works

• ashcroft1976
• sze2007

Frequently asked questions

Kāpēc silīcijs ir slikts gaismu izstarojošās ierīcēs?

Silīcijam ir netieša joslas sprauga, tāpēc elektronam un caurumam, kas rekombinējas pāri spraugai, ir jāiesaista arī fonons, lai saglabātu impulsu; tas padara radiatīvo rekombināciju neefektīvu, tāpēc gaismas diodēm un lāzeriem tiek izmantoti tiešās spraugas materiāli, piemēram, gallija arsenīds.

Kas ierobežo nēsātāju kustības ātrumu pusvadītājā?

Nēsātājus izkliedē režģa vibrācijas (fononi) un jonizētie piemaisījumi; šīs sadursmes ierobežo mobilitāti, pie kam fononu izkliede dominē augstā temperatūrā, bet piemaisījumu izkliede – zemā temperatūrā un pie lielas leģēšanas pakāpes.