Optiska och transportegenskaper hos halvledare

Hur en halvledare absorberar ljus och hur dess laddningsbärare drivs och diffunderar under fält avgör om den lämpar sig som detektor, emitter eller transistor, och dessa egenskaper följer av dess bandstruktur och spridning.

Definition

Transportegenskaperna hos en halvledare beskriver hur elektroner och hål rör sig under elektriska fält och koncentrationsgradienter, karakteriserade av mobilitet, konduktivitet och diffusion; de optiska egenskaperna beskriver hur materialet absorberar och emitterar ljus över sitt bandgap, bestämt av bandstrukturen och bandgapets direkthet.

Scope

Detta ämne behandlar elektrisk transport och optisk respons hos halvledare: laddningsbärardrift och mobilitet, de spridningsmekanismer (fonon- och orenhets-) som begränsar den, diffusion och Einsteins relation, Halleffekten samt rekombination. På den optiska sidan behandlas bandkantsabsorption, skillnaden mellan direkta och indirekta bandgap för ljusemission, exciton och fotokonduktivitet. Det kopplar samman bandstrukturen och laddningsbärarstatistiken inom området med mätbara, enhetsrelevanta egenskaper.

Core questions

• Vad bestämmer laddningsbärarmobilitet, och vilka spridningsmekanismer begränsar den?
• Hur är drift och diffusion relaterade genom Einsteins relation?
• Varför styr bandgapets direkthet om en halvledare emitterar ljus effektivt?
• Vad är exciton och fotokonduktivitet, och hur formar de den optiska responsen?

Key concepts

• Laddningsbärardrift, mobilitet och konduktivitet
• Fonon- och orenhetsspridning
• Diffusion och Einsteins relation
• Direkta kontra indirekta optiska övergångar
• Exciton och fotokonduktivitet

Clinical relevance

Transport- och optiska egenskaper avgör enhetens prestanda: mobilitet sätter transistorns hastighet, det direkta eller indirekta bandgapet avgör om ett material kan tillverka effektiva lysdioder (LED) och lasrar (som i galliumarsenid kontra kisel), och absorption styr fotodetektorer och solceller.

History

Halleffekten (1879) utgjorde ett tidigt sätt att mäta laddningsbärartecken och -densitet; kvantteorin för bandkantsabsorption och exciton utvecklades på 1930-talet, och insikten att direktgapmaterial som galliumarsenid emitterar ljus effektivt låg till grund för den optoelektronik som växte fram från mitten av 1900-talet.

Key figures

• Edwin Hall
• Albert Einstein
• Gregory Wannier

Seminal works

• ashcroft1976
• sze2007

Frequently asked questions

Varför är kisel dåligt för ljusemitterande enheter?

Kisel har ett indirekt bandgap, så en elektron och ett hål som rekombinerar över gapet måste också involvera en fonon för att bevara rörelsemängden; detta gör radiativ rekombination ineffektiv, vilket är anledningen till att direktgapmaterial som galliumarsenid används för lysdioder och lasrar.

Vad begränsar hur snabbt laddningsbärare rör sig i en halvledare?

Laddningsbärare sprids av gittervibrationer (fononer) och av joniserade orenheter; dessa kollisioner begränsar mobiliteten, där fononspridning dominerar vid hög temperatur och orenhetsspridning vid låg temperatur och hög dopning.