Propriedades Óticas e de Transporte de Semicondutores

A forma como um semicondutor absorve luz e como seus portadores se deslocam e se difundem sob campos determina se ele é um bom detector, emissor ou transistor, e essas propriedades decorrem de sua estrutura de banda e espalhamento.

Definition

As propriedades de transporte de um semicondutor descrevem como elétrons e buracos se movem sob campos elétricos e gradientes de concentração, caracterizadas por mobilidade, condutividade e difusão; as propriedades ópticas descrevem como o material absorve e emite luz através de seu gap de energia, definido pela estrutura de banda e pela direcionalidade do gap.

Scope

Este tópico abrange o transporte elétrico e a resposta óptica de semicondutores: deriva e mobilidade de portadores, os mecanismos de espalhamento (fônon e impureza) que a limitam, difusão e a relação de Einstein, o efeito Hall e a recombinação. No lado óptico, abrange a absorção na borda da banda, a distinção entre gaps diretos e indiretos para emissão de luz, excitons e fotocondutividade. Ele conecta a estrutura de banda e as estatísticas de portadores da área a propriedades mensuráveis relevantes para dispositivos.

Core questions

• O que determina a mobilidade dos portadores e quais mecanismos de espalhamento a limitam?
• Como a deriva e a difusão estão relacionadas através da relação de Einstein?
• Por que a direcionalidade do gap de energia controla se um semicondutor emite luz eficientemente?
• O que são excitons e fotocondutividade, e como eles moldam a resposta óptica?

Key concepts

• Deriva, mobilidade e condutividade de portadores
• Espalhamento por fônons e impurezas
• Difusão e a relação de Einstein
• Transições ópticas diretas versus indiretas
• Excitons e fotocondutividade

Clinical relevance

As propriedades de transporte e ópticas decidem o desempenho do dispositivo: a mobilidade define a velocidade do transistor, o gap direto ou indireto determina se um material pode produzir LEDs e lasers eficientes (como no arsenieto de gálio versus silício), e a absorção governa fotodetectores e células solares.

History

O efeito Hall (1879) forneceu um meio inicial para medir o sinal e a densidade dos portadores; a teoria quântica da absorção na borda da banda e dos excitons desenvolveu-se na década de 1930, e o reconhecimento de que compostos de gap direto como o arsenieto de gálio emitem luz eficientemente sustentou a optoeletrônica que emergiu a partir de meados do século XX.

Key figures

• Edwin Hall
• Albert Einstein
• Gregory Wannier

Seminal works

• ashcroft1976
• sze2007

Frequently asked questions

Por que o silício produz dispositivos emissores de luz de baixa qualidade?

O silício tem um gap de energia indireto, então um elétron e um buraco se recombinando através do gap também devem envolver um fônon para conservar o momento; isso torna a recombinação radiativa ineficiente, razão pela qual materiais de gap direto como o arsenieto de gálio são usados para LEDs e lasers.

O que limita a velocidade de movimento dos portadores em um semicondutor?

Os portadores são espalhados por vibrações da rede (fônons) e por impurezas ionizadas; essas colisões limitam a mobilidade, com o espalhamento por fônons dominando em alta temperatura e o espalhamento por impurezas em baixa temperatura e alta dopagem.