Optické a transportné vlastnosti polovodičov

To, ako polovodič absorbuje svetlo a ako sa jeho nosiče náboja pohybujú a difúzia pod vplyvom polí, určuje, či je vhodný ako detektor, žiarič alebo tranzistor, pričom tieto vlastnosti vyplývajú z jeho pásovej štruktúry a rozptylu.

Definition

Transportné vlastnosti polovodiča opisujú, ako sa elektróny a diery pohybujú pod vplyvom elektrických polí a koncentračných gradientov, charakterizované pohyblivosťou, vodivosťou a difúziou; optické vlastnosti opisujú, ako materiál absorbuje a emituje svetlo cez svoj zakázaný pás, určené pásovou štruktúrou a priamosťou zakázaného pásu.

Scope

Táto téma zahŕňa elektrický transport a optickú odozvu polovodičov: drift a pohyblivosť nosičov náboja, mechanizmy rozptylu (fonónový a prímesový), ktoré ju obmedzujú, difúziu a Einsteinov vzťah, Hallov jav a rekombináciu. Z optickej stránky zahŕňa absorpciu na okraji pásma, rozdiel medzi priamymi a nepriamymi zakázanými pásmi pre emisiu svetla, excitóny a fotovodivosť. Spája pásovú štruktúru a štatistiku nosičov náboja v danej oblasti s merateľnými vlastnosťami relevantnými pre zariadenia.

Core questions

• Čo určuje pohyblivosť nosičov náboja a aké mechanizmy rozptylu ju obmedzujú?
• Ako sú drift a difúzia spojené prostredníctvom Einsteinovho vzťahu?
• Prečo priamosť zakázaného pásu určuje, či polovodič efektívne emituje svetlo?
• Čo sú excitóny a fotovodivosť a ako formujú optickú odozvu?

Key concepts

• Drift, pohyblivosť a vodivosť nosičov náboja
• Fonónový a prímesový rozptyl
• Difúzia a Einsteinov vzťah
• Priame verzus nepriame optické prechody
• Excitóny a fotovodivosť

Clinical relevance

Transportné a optické vlastnosti rozhodujú o výkone zariadenia: pohyblivosť určuje rýchlosť tranzistora, priamy alebo nepriamy zakázaný pás určuje, či materiál môže vytvárať účinné LED diódy a lasery (ako v prípade arzenidu gália oproti kremíku), a absorpcia riadi fotodetektory a solárne články.

History

Hallov jav (1879) poskytol skorý prostriedok na meranie znamienka a hustoty nosičov náboja; kvantová teória absorpcie na okraji pásma a excitónov sa vyvinula v 30. rokoch 20. storočia a poznanie, že zlúčeniny s priamym zakázaným pásom, ako je arzenid gália, efektívne emitujú svetlo, bolo základom optoelektroniky, ktorá sa objavila od polovice 20. storočia.

Key figures

• Edwin Hall
• Albert Einstein
• Gregory Wannier

Seminal works

• ashcroft1976
• sze2007

Frequently asked questions

Prečo kremík vytvára slabé svetlo emitujúce zariadenia?

Kremík má nepriamy zakázaný pás, takže elektrón a diera rekombinujúce cez zakázaný pás musia zahŕňať aj fonón na zachovanie hybnosti; to robí radiačnú rekombináciu neefektívnou, a preto sa pre LED diódy a lasery používajú materiály s priamym zakázaným pásom, ako je arzenid gália.

Čo obmedzuje rýchlosť pohybu nosičov náboja v polovodiči?

Nosiče náboja sú rozptyľované vibráciami mriežky (fonónmi) a ionizovanými prímesami; tieto kolízie obmedzujú pohyblivosť, pričom fonónový rozptyl dominuje pri vysokých teplotách a prímesový rozptyl pri nízkych teplotách a silnom dopovaní.