Właściwości optyczne i transportowe półprzewodników

Sposób, w jaki półprzewodnik absorbuje światło oraz jak jego nośniki dryfują i dyfundują pod wpływem pól, decyduje o tym, czy nadaje się on na dobry detektor, emiter czy tranzystor, a właściwości te wynikają z jego struktury pasmowej i rozpraszania.

Definition

Właściwości transportowe półprzewodnika opisują, jak elektrony i dziury poruszają się pod wpływem pól elektrycznych i gradientów koncentracji, charakteryzowane przez ruchliwość, przewodnictwo i dyfuzję; właściwości optyczne opisują, jak materiał absorbuje i emituje światło w zakresie swojej przerwy energetycznej, określonej przez strukturę pasmową i bezpośredniość przerwy.

Scope

Temat ten obejmuje transport elektryczny i odpowiedź optyczną półprzewodników: dryf i ruchliwość nośników, mechanizmy rozpraszania (fononowe i domieszkowe), które je ograniczają, dyfuzję i relację Einsteina, efekt Halla oraz rekombinację. Od strony optycznej obejmuje absorpcję na krawędzi pasma, rozróżnienie między przerwami bezpośrednimi i pośrednimi dla emisji światła, eksytony i fotoprzewodnictwo. Łączy strukturę pasmową i statystykę nośników danego obszaru z mierzalnymi właściwościami istotnymi dla urządzeń.

Core questions

• Co decyduje o ruchliwości nośników i jakie mechanizmy rozpraszania ją ograniczają?
• Jak dryf i dyfuzja są ze sobą powiązane poprzez relację Einsteina?
• Dlaczego bezpośredniość przerwy energetycznej kontroluje, czy półprzewodnik efektywnie emituje światło?
• Czym są eksytony i fotoprzewodnictwo oraz jak kształtują odpowiedź optyczną?

Key concepts

• Dryf, ruchliwość i przewodnictwo nośników
• Rozpraszanie fononowe i domieszkowe
• Dyfuzja i relacja Einsteina
• Bezpośrednie a pośrednie przejścia optyczne
• Eksytony i fotoprzewodnictwo

Clinical relevance

Właściwości transportowe i optyczne decydują o wydajności urządzenia: ruchliwość ustala prędkość tranzystora, bezpośrednia lub pośrednia przerwa określa, czy materiał może tworzyć wydajne diody LED i lasery (jak w przypadku arsenku galu w porównaniu z krzemem), a absorpcja rządzi fotodetektorami i ogniwami słonecznymi.

History

Efekt Halla (1879) dostarczył wczesnych środków do pomiaru znaku i gęstości nośników; kwantowa teoria absorpcji na krawędzi pasma i eksytonów rozwinęła się w latach 30. XX wieku, a uznanie, że związki z bezpośrednią przerwą, takie jak arsenek galu, efektywnie emitują światło, było podstawą optoelektroniki, która wyłoniła się w połowie XX wieku.

Key figures

• Edwin Hall
• Albert Einstein
• Gregory Wannier

Seminal works

• ashcroft1976
• sze2007

Frequently asked questions

Dlaczego krzem jest słabym materiałem do urządzeń emitujących światło?

Krzem ma pośrednią przerwę energetyczną, więc rekombinacja elektronu i dziury przez przerwę musi również obejmować fonon w celu zachowania pędu; to sprawia, że rekombinacja radiacyjna jest nieefektywna, dlatego do diod LED i laserów używa się materiałów z bezpośrednią przerwą, takich jak arsenek galu.

Co ogranicza szybkość ruchu nośników w półprzewodniku?

Nośniki są rozpraszane przez drgania sieci krystalicznej (fonony) i przez zjonizowane domieszki; te zderzenia ograniczają ruchliwość, przy czym rozpraszanie fononowe dominuje w wysokich temperaturach, a rozpraszanie domieszkowe w niskich temperaturach i przy silnym domieszkowaniu.