Optička i transportna svojstva poluprovodnika

Način na koji poluprovodnik apsorbuje svetlost i kako se njegovi nosioci naboja kreću i difunduju pod uticajem polja određuje da li će biti dobar detektor, emiter ili tranzistor, a ova svojstva proizilaze iz njegove zonske strukture i rasejanja.

Definition

Transportna svojstva poluprovodnika opisuju kako se elektroni i šupljine kreću pod uticajem električnih polja i gradijenata koncentracije, a karakterišu ih mobilnost, provodljivost i difuzija; optička svojstva opisuju kako materijal apsorbuje i emituje svetlost preko svog zabranjenog pojasa, što je određeno zonskom strukturom i direktnošću zabranjenog pojasa.

Scope

Ova tema obuhvata električni transport i optički odziv poluprovodnika: drift i mobilnost nosilaca naboja, mehanizme rasejanja (fononsko i nečistoćno) koji ih ograničavaju, difuziju i Ajnštajnovu relaciju, Holov efekat i rekombinaciju. Sa optičke strane, obuhvata apsorpciju na ivici zone, razliku između direktnih i indirektnih zona za emisiju svetlosti, eksitone i fotoprovodljivost. Povezuje zonsku strukturu i statistiku nosilaca naboja u oblasti sa merljivim svojstvima relevantnim za uređaje.

Core questions

• Šta određuje mobilnost nosilaca naboja i koji mehanizmi rasejanja je ograničavaju?
• Kako su drift i difuzija povezani Ajnštajnovom relacijom?
• Zašto direktnost zabranjenog pojasa kontroliše efikasnost emisije svetlosti poluprovodnika?
• Šta su eksitoni i fotoprovodljivost i kako oni oblikuju optički odziv?

Key concepts

• Drift, mobilnost i provodljivost nosilaca naboja
• Fononsko i nečistoćno rasejanje
• Difuzija i Ajnštajnova relacija
• Direktni naspram indirektnih optičkih prelaza
• Eksitoni i fotoprovodljivost

Clinical relevance

Transportna i optička svojstva određuju performanse uređaja: mobilnost postavlja brzinu tranzistora, direktni ili indirektni zabranjeni pojas određuje da li materijal može da napravi efikasne LED diode i lasere (kao kod galijum-arsenida naspram silicijuma), a apsorpcija upravlja fotodetektorima i solarnim ćelijama.

History

Holov efekat (1879) pružio je rano sredstvo za merenje znaka i gustine nosilaca naboja; kvantna teorija apsorpcije na ivici zone i eksitona razvijena je 1930-ih, a prepoznavanje da jedinjenja sa direktnim zabranjenim pojasom poput galijum-arsenida efikasno emituju svetlost podstaklo je optoelektroniku koja se pojavila sredinom dvadesetog veka.

Key figures

• Edwin Hall
• Albert Einstein
• Gregory Wannier

Seminal works

• ashcroft1976
• sze2007

Frequently asked questions

Zašto silicijum pravi loše svetleće uređaje?

Silicijum ima indirektan zabranjeni pojas, tako da rekombinacija elektrona i šupljine preko zabranjenog pojasa mora uključivati i fonon radi očuvanja impulsa; to čini radijativnu rekombinaciju neefikasnom, zbog čega se materijali sa direktnim zabranjenim pojasom poput galijum-arsenida koriste za LED diode i lasere.

Šta ograničava brzinu kretanja nosilaca naboja u poluprovodniku?

Nosioci naboja se rasejavaju vibracijama rešetke (fononima) i jonizovanim nečistoćama; ovi sudari ograničavaju mobilnost, pri čemu fononsko rasejanje dominira na visokim temperaturama, a nečistoćno rasejanje na niskim temperaturama i pri visokoj dopiranosti.