Proprietățile optice și de transport ale semiconductorilor

Modul în care un semiconductor absoarbe lumina și modul în care purtătorii săi de sarcină se deplasează și difuzează sub influența câmpurilor determină dacă acesta este un detector, emițător sau tranzistor bun, iar aceste proprietăți decurg din structura sa de bandă și din împrăștiere.

Definition

Proprietățile de transport ale unui semiconductor descriu modul în care electronii și golurile se mișcă sub influența câmpurilor electrice și a gradientelor de concentrație, caracterizate prin mobilitate, conductivitate și difuzie; proprietățile optice descriu modul în care materialul absoarbe și emite lumină pe întreaga sa bandă interzisă, stabilită de structura de bandă și de caracterul direct al benzii interzise.

Scope

Acest subiect acoperă transportul electric și răspunsul optic al semiconductorilor: driftul și mobilitatea purtătorilor de sarcină, mecanismele de împrăștiere (fononică și de impuritate) care le limitează, difuzia și relația Einstein, efectul Hall și recombinarea. Din punct de vedere optic, acoperă absorbția la marginea benzii, distincția dintre benzile interzise directe și indirecte pentru emisia de lumină, excitoni și fotoconductivitate. Conectează structura de bandă și statistica purtătorilor de sarcină din domeniu cu proprietățile măsurabile relevante pentru dispozitive.

Core questions

• Ce determină mobilitatea purtătorilor de sarcină și ce mecanisme de împrăștiere o limitează?
• Cum sunt legate driftul și difuzia prin relația Einstein?
• De ce caracterul direct al benzii interzise controlează dacă un semiconductor emite lumină eficient?
• Ce sunt excitonii și fotoconductivitatea și cum modelează aceștia răspunsul optic?

Key concepts

• Driftul, mobilitatea și conductivitatea purtătorilor de sarcină
• Împrăștierea fononică și de impuritate
• Difuzia și relația Einstein
• Tranziții optice directe versus indirecte
• Excitoni și fotoconductivitate

Clinical relevance

Proprietățile de transport și optice decid performanța dispozitivului: mobilitatea stabilește viteza tranzistorului, banda interzisă directă sau indirectă determină dacă un material poate produce LED-uri și lasere eficiente (ca în cazul arseniurii de galiu versus siliciu), iar absorbția guvernează fotodetectorii și celulele solare.

History

Efectul Hall (1879) a oferit un mijloc timpuriu de măsurare a semnului și densității purtătorilor de sarcină; teoria cuantică a absorbției la marginea benzii și a excitonilor s-a dezvoltat în anii 1930, iar recunoașterea faptului că compușii cu bandă interzisă directă, cum ar fi arseniura de galiu, emit lumină eficient a stat la baza optoelectronicii care a apărut la mijlocul secolului al XX-lea.

Key figures

• Edwin Hall
• Albert Einstein
• Gregory Wannier

Seminal works

• ashcroft1976
• sze2007

Frequently asked questions

De ce siliciul produce dispozitive de emisie de lumină slabe?

Siliciul are o bandă interzisă indirectă, astfel încât un electron și un gol care se recombina peste bandă trebuie să implice și un fonon pentru a conserva impulsul; acest lucru face recombinarea radiativă ineficientă, motiv pentru care materialele cu bandă interzisă directă, cum ar fi arseniura de galiu, sunt utilizate pentru LED-uri și lasere.

Ce limitează viteza de mișcare a purtătorilor de sarcină într-un semiconductor?

Purtătorii de sarcină sunt împrăștiați de vibrațiile rețelei (fononi) și de impuritățile ionizate; aceste coliziuni limitează mobilitatea, împrăștierea fononică dominând la temperaturi ridicate și împrăștierea de impuritate la temperaturi scăzute și dopaj intens.