Optische en transporteigenschappen van halfgeleiders

De manier waarop een halfgeleider licht absorbeert en hoe zijn ladingsdragers driften en diffunderen onder invloed van velden, bepaalt of het een goede detector, emitter of transistor is. Deze eigenschappen vloeien voort uit de bandstructuur en verstrooiing.

Definition

De transporteigenschappen van een halfgeleider beschrijven hoe elektronen en gaten bewegen onder elektrische velden en concentratiegradiënten, gekarakteriseerd door mobiliteit, geleidbaarheid en diffusie; de optische eigenschappen beschrijven hoe het materiaal licht absorbeert en uitzendt over zijn bandkloof, bepaald door de bandstructuur en de directheid van de kloof.

Scope

Dit onderwerp behandelt het elektrische transport en de optische respons van halfgeleiders: ladingsdragerdrift en -mobiliteit, de verstrooiingsmechanismen (fonon en onzuiverheid) die deze beperken, diffusie en de Einstein-relatie, het Hall-effect en recombinatie. Aan de optische zijde komen bandrandabsorptie, het onderscheid tussen directe en indirecte bandkloven voor lichtemissie, excitonen en fotogeleidbaarheid aan bod. Het verbindt de bandstructuur en ladingsdragerstatistieken van het gebied met meetbare, apparaatrelevante eigenschappen.

Core questions

• Wat bepaalt de ladingsdragerbeweging, en welke verstrooiingsmechanismen beperken deze?
• Hoe zijn drift en diffusie gerelateerd via de Einstein-relatie?
• Waarom bepaalt de directheid van de bandkloof of een halfgeleider efficiënt licht uitzendt?
• Wat zijn excitonen en fotogeleidbaarheid, en hoe bepalen ze de optische respons?

Key concepts

• Ladingsdragerdrift, -mobiliteit en -geleidbaarheid
• Fonon- en onzuiverheidsverstrooiing
• Diffusie en de Einstein-relatie
• Directe versus indirecte optische overgangen
• Excitonen en fotogeleidbaarheid

Clinical relevance

Transport- en optische eigenschappen bepalen de apparaatprestaties: mobiliteit bepaalt de transistorgeschiktheid, de directe of indirecte bandkloof bepaalt of een materiaal efficiënte LED's en lasers kan maken (zoals in galliumarsenide versus silicium), en absorptie regelt fotodetectoren en zonnecellen.

History

Het Hall-effect (1879) bood een vroege methode om het teken en de dichtheid van ladingsdragers te meten; de kwantumtheorie van bandrandabsorptie en excitonen ontwikkelde zich in de jaren 1930, en de erkenning dat materialen met een directe bandkloof zoals galliumarsenide efficiënt licht uitzenden, vormde de basis voor de opto-elektronica die vanaf het midden van de twintigste eeuw opkwam.

Key figures

• Edwin Hall
• Albert Einstein
• Gregory Wannier

Seminal works

• ashcroft1976
• sze2007

Frequently asked questions

Waarom maakt silicium slechte lichtemitterende apparaten?

Silicium heeft een indirecte bandkloof, dus een elektron en gat die recombineren over de kloof moeten ook een fonon betrekken om het momentum te behouden; dit maakt radiatieve recombinatie inefficiënt, daarom worden materialen met een directe bandkloof zoals galliumarsenide gebruikt voor LED's en lasers.

Wat beperkt de snelheid waarmee ladingsdragers bewegen in een halfgeleider?

Ladingsdragers worden verstrooid door roosterstrillingen (fononen) en door geïoniseerde onzuiverheden; deze botsingen beperken de mobiliteit, waarbij fononverstrooiing domineert bij hoge temperatuur en onzuiverheidsverstrooiing bij lage temperatuur en zware dotering.