Оптические и транспортные свойства полупроводников

То, как полупроводник поглощает свет и как его носители заряда дрейфуют и диффундируют под действием полей, определяет, насколько хорошо он работает как детектор, излучатель или транзистор; эти свойства зависят от его зонной структуры и рассеяния.

Definition

Транспортные свойства полупроводника описывают движение электронов и дырок под действием электрических полей и градиентов концентрации, характеризуемое подвижностью, проводимостью и диффузией; оптические свойства описывают, как материал поглощает и излучает свет в пределах своей запрещенной зоны, что определяется зонной структурой и прямотой запрещенной зоны.

Scope

Эта тема охватывает электрический транспорт и оптический отклик полупроводников: дрейф и подвижность носителей заряда, механизмы рассеяния (фононное и примесное), которые их ограничивают, диффузию и соотношение Эйнштейна, эффект Холла и рекомбинацию. В оптической части рассматриваются поглощение на краю зоны, различие между прямыми и непрямыми переходами для излучения света, экситоны и фотопроводимость. Она связывает зонную структуру и статистику носителей заряда в данной области с измеримыми свойствами, имеющими отношение к устройствам.

Core questions

• Что определяет подвижность носителей заряда и какие механизмы рассеяния ее ограничивают?
• Как связаны дрейф и диффузия через соотношение Эйнштейна?
• Почему прямота запрещенной зоны определяет эффективность излучения света полупроводником?
• Что такое экситоны и фотопроводимость, и как они формируют оптический отклик?

Key concepts

• Дрейф, подвижность и проводимость носителей заряда
• Фононное и примесное рассеяние
• Диффузия и соотношение Эйнштейна
• Прямые и непрямые оптические переходы
• Экситоны и фотопроводимость

Clinical relevance

Транспортные и оптические свойства определяют производительность устройства: подвижность задает скорость транзистора, прямая или непрямая запрещенная зона определяет, может ли материал создавать эффективные светодиоды и лазеры (как в случае арсенида галлия по сравнению с кремнием), а поглощение управляет работой фотодетекторов и солнечных элементов.

History

Эффект Холла (1879) предоставил ранний способ измерения знака и плотности носителей заряда; квантовая теория поглощения на краю зоны и экситонов развивалась в 1930-х годах, а признание того, что соединения с прямой запрещенной зоной, такие как арсенид галлия, эффективно излучают свет, легло в основу оптоэлектроники, появившейся в середине XX века.

Key figures

• Edwin Hall
• Albert Einstein
• Gregory Wannier

Seminal works

• ashcroft1976
• sze2007

Frequently asked questions

Почему кремний является плохим материалом для светоизлучающих устройств?

Кремний имеет непрямую запрещенную зону, поэтому при рекомбинации электрона и дырки через запрещенную зону должен также участвовать фонон для сохранения импульса; это делает излучательную рекомбинацию неэффективной, поэтому для светодиодов и лазеров используются материалы с прямой запрещенной зоной, такие как арсенид галлия.

Что ограничивает скорость движения носителей заряда в полупроводнике?

Носители заряда рассеиваются на колебаниях решетки (фононах) и на ионизированных примесях; эти столкновения ограничивают подвижность, при этом фононное рассеяние доминирует при высокой температуре, а примесное рассеяние — при низкой температуре и сильном легировании.