Optiske og transportegenskaper ved halvledere

Hvordan en halvleder absorberer lys og hvordan dens ladningsbærere drifter og diffunderer under felt, bestemmer om den egner seg som detektor, emitter eller transistor, og disse egenskapene følger fra dens båndstruktur og spredning.

Definition

Transportegenskapene til en halvleder beskriver hvordan elektroner og hull beveger seg under elektriske felt og konsentrasjonsgradienter, karakterisert ved mobilitet, konduktivitet og diffusjon; de optiske egenskapene beskriver hvordan materialet absorberer og emitterer lys over båndgapet, bestemt av båndstrukturen og båndgapets direkthet.

Scope

Dette emnet dekker elektrisk transport og optisk respons i halvledere: ladningsbærerdrift og mobilitet, spredningsmekanismene (fonon og urenhet) som begrenser den, diffusjon og Einstein-relasjonen, Hall-effekten og rekombinasjon. På den optiske siden dekker det båndkantabsorpsjon, skillet mellom direkte og indirekte båndgap for lysutslipp, eksitoner og fotokonduktivitet. Det forbinder båndstrukturen og ladningsbærerstatistikken i området med målbare enhetsrelevante egenskaper.

Core questions

• Hva bestemmer ladningsbærermobilitet, og hvilke spredningsmekanismer begrenser den?
• Hvordan er drift og diffusjon relatert gjennom Einstein-relasjonen?
• Hvorfor kontrollerer båndgapets direkthet om en halvleder emitterer lys effektivt?
• Hva er eksitoner og fotokonduktivitet, og hvordan former de den optiske responsen?

Key concepts

• Ladningsbærerdrift, mobilitet og konduktivitet
• Fonon- og urenhetsspredning
• Diffusjon og Einstein-relasjonen
• Direkte versus indirekte optiske overganger
• Eksitoner og fotokonduktivitet

Clinical relevance

Transport- og optiske egenskaper avgjør enhetsytelsen: mobilitet setter transistorens hastighet, det direkte eller indirekte båndgapet bestemmer om et materiale kan lage effektive lysdioder (LED) og lasere (som i galliumarsenid versus silisium), og absorpsjon styrer fotodetektorer og solceller.

History

Hall-effekten (1879) ga et tidlig middel til å måle ladningsbærersign og -tetthet; kvanteteorien for båndkantabsorpsjon og eksitoner utviklet seg på 1930-tallet, og erkjennelsen av at direkte-gap-forbindelser som galliumarsenid emitterer lys effektivt, underbygget optoelektronikken som oppsto fra midten av det tjuende århundre.

Key figures

• Edwin Hall
• Albert Einstein
• Gregory Wannier

Seminal works

• ashcroft1976
• sze2007

Frequently asked questions

Hvorfor lager silisium dårlige lysavgivende enheter?

Silisium har et indirekte båndgap, så et elektron og et hull som rekombinerer over båndgapet, må også involvere en fonon for å bevare bevegelsesmengden; dette gjør strålingsrekombinasjon ineffektiv, noe som er grunnen til at direkte-gap-materialer som galliumarsenid brukes til lysdioder og lasere.

Hva begrenser hvor raskt ladningsbærere beveger seg i en halvleder?

Ladningsbærere spres av gittervibrasjoner (fononer) og av ioniserte urenheter; disse kollisjonene begrenser mobiliteten, med fononspredning som dominerer ved høy temperatur og urenhetsspredning ved lav temperatur og tung doping.