สมบัติทางแสงและการขนส่งในสารกึ่งตัวนำ

การที่สารกึ่งตัวนำดูดซับแสงอย่างไร และพาหะของสารกึ่งตัวนำเคลื่อนที่แบบเลื่อนลอยและแพร่ภายใต้สนามไฟฟ้าอย่างไร เป็นตัวกำหนดว่าสารกึ่งตัวนำนั้นจะสามารถนำไปใช้เป็นอุปกรณ์ตรวจจับ แหล่งกำเนิดแสง หรือทรานซิสเตอร์ที่ดีได้หรือไม่ ซึ่งสมบัติเหล่านี้เป็นผลมาจากโครงสร้างแถบพลังงานและการกระเจิงของสารกึ่งตัวนำ

Definition

สมบัติการขนส่งของสารกึ่งตัวนำอธิบายว่าอิเล็กตรอนและโฮลเคลื่อนที่ภายใต้สนามไฟฟ้าและความชันของความเข้มข้นอย่างไร ซึ่งมีลักษณะเฉพาะโดยการเคลื่อนที่ สภาพนำไฟฟ้า และการแพร่ ส่วนสมบัติทางแสงอธิบายว่าวัสดุดูดซับและเปล่งแสงผ่านช่องว่างแถบพลังงานอย่างไร ซึ่งกำหนดโดยโครงสร้างแถบพลังงานและความเป็นโดยตรงของช่องว่าง

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมถึงการขนส่งทางไฟฟ้าและการตอบสนองทางแสงของสารกึ่งตัวนำ ได้แก่ การเลื่อนลอยของพาหะและการเคลื่อนที่ของพาหะ กลไกการกระเจิง (โฟนอนและสิ่งเจือปน) ที่จำกัดการเคลื่อนที่ การแพร่และความสัมพันธ์ของไอน์สไตน์ ปรากฏการณ์ฮอลล์ และการรวมตัวใหม่ ในด้านแสง ครอบคลุมถึงการดูดกลืนที่ขอบแถบพลังงาน ความแตกต่างระหว่างช่องว่างพลังงานโดยตรงและโดยอ้อมสำหรับการเปล่งแสง เอ็กซิตอน และสภาพนำแสง หัวข้อนี้เชื่อมโยงโครงสร้างแถบพลังงานและสถิติของพาหะในพื้นที่เข้ากับสมบัติที่สามารถวัดได้ซึ่งเกี่ยวข้องกับอุปกรณ์

Core questions

• อะไรเป็นตัวกำหนดการเคลื่อนที่ของพาหะ และกลไกการกระเจิงใดที่จำกัดการเคลื่อนที่นี้
• การเลื่อนลอยและการแพร่มีความสัมพันธ์กันอย่างไรผ่านความสัมพันธ์ของไอน์สไตน์
• เหตุใดความเป็นโดยตรงของช่องว่างแถบพลังงานจึงควบคุมว่าสารกึ่งตัวนำจะเปล่งแสงได้อย่างมีประสิทธิภาพหรือไม่
• เอ็กซิตอนและสภาพนำแสงคืออะไร และสิ่งเหล่านี้มีผลต่อการตอบสนองทางแสงอย่างไร

Key concepts

• การเลื่อนลอยของพาหะ การเคลื่อนที่ และสภาพนำไฟฟ้า
• การกระเจิงของโฟนอนและสิ่งเจือปน
• การแพร่และความสัมพันธ์ของไอน์สไตน์
• การเปลี่ยนผ่านทางแสงโดยตรงเทียบกับการเปลี่ยนผ่านทางแสงโดยอ้อม
• เอ็กซิตอนและสภาพนำแสง

Clinical relevance

สมบัติการขนส่งและสมบัติทางแสงเป็นตัวตัดสินประสิทธิภาพของอุปกรณ์: การเคลื่อนที่กำหนดความเร็วของทรานซิสเตอร์ ช่องว่างโดยตรงหรือโดยอ้อมเป็นตัวกำหนดว่าวัสดุสามารถสร้าง LED และเลเซอร์ที่มีประสิทธิภาพได้หรือไม่ (เช่น ในแกลเลียมอาร์เซไนด์เทียบกับซิลิคอน) และการดูดกลืนแสงควบคุมโฟโตดีเทคเตอร์และเซลล์แสงอาทิตย์

History

ปรากฏการณ์ฮอลล์ (ค.ศ. 1879) เป็นวิธีการแรก ๆ ในการวัดเครื่องหมายและความหนาแน่นของพาหะ ทฤษฎีควอนตัมของการดูดกลืนที่ขอบแถบพลังงานและเอ็กซิตอนได้รับการพัฒนาขึ้นในทศวรรษ 1930 และการรับรู้ว่าสารประกอบที่มีช่องว่างโดยตรง เช่น แกลเลียมอาร์เซไนด์ เปล่งแสงได้อย่างมีประสิทธิภาพ เป็นรากฐานของทัศนอิเล็กทรอนิกส์ที่เกิดขึ้นตั้งแต่กลางศตวรรษที่ยี่สิบ

Key figures

• Edwin Hall
• Albert Einstein
• Gregory Wannier

Seminal works

• ashcroft1976
• sze2007

Frequently asked questions

เหตุใดซิลิคอนจึงเป็นอุปกรณ์เปล่งแสงที่ไม่ดี

ซิลิคอนมีช่องว่างแถบพลังงานโดยอ้อม ดังนั้นอิเล็กตรอนและโฮลที่รวมตัวกันใหม่ข้ามช่องว่างจะต้องเกี่ยวข้องกับโฟนอนเพื่อรักษาสภาพโมเมนตัมด้วย ซึ่งทำให้การรวมตัวใหม่แบบเปล่งรังสีไม่มีประสิทธิภาพ นี่คือเหตุผลที่วัสดุที่มีช่องว่างโดยตรง เช่น แกลเลียมอาร์เซไนด์ ถูกนำมาใช้สำหรับ LED และเลเซอร์

อะไรเป็นตัวจำกัดความเร็วในการเคลื่อนที่ของพาหะในสารกึ่งตัวนำ

พาหะจะกระเจิงโดยการสั่นสะเทือนของโครงสร้างผลึก (โฟนอน) และโดยสิ่งเจือปนที่แตกตัวเป็นไอออน การชนกันเหล่านี้จำกัดการเคลื่อนที่ โดยการกระเจิงของโฟนอนมีอิทธิพลเหนือกว่าที่อุณหภูมิสูง และการกระเจิงของสิ่งเจือปนมีอิทธิพลเหนือกว่าที่อุณหภูมิต่ำและการโดปที่สูง