Оптичні та транспортні властивості напівпровідників

Те, як напівпровідник поглинає світло і як його носії заряду дрейфують та дифундують під дією полів, визначає, чи буде він добрим детектором, випромінювачем або транзистором, і ці властивості випливають з його зонної структури та розсіювання.

Definition

Транспортні властивості напівпровідника описують, як електрони та дірки рухаються під дією електричних полів та градієнтів концентрації, характеризуючись рухливістю, провідністю та дифузією; оптичні властивості описують, як матеріал поглинає та випромінює світло через свою заборонену зону, що визначається зонною структурою та прямотою забороненої зони.

Scope

Ця тема охоплює електричний транспорт та оптичну відповідь напівпровідників: дрейф і рухливість носіїв заряду, механізми розсіювання (фононне та домішкове), що їх обмежують, дифузію та співвідношення Ейнштейна, ефект Холла та рекомбінацію. З оптичного боку вона охоплює поглинання на краю зони, відмінність між прямими та непрямими забороненими зонами для випромінювання світла, екситони та фотопровідність. Вона пов'язує зонну структуру та статистику носіїв заряду області з вимірюваними властивостями, що мають відношення до пристроїв.

Core questions

• Що визначає рухливість носіїв заряду і які механізми розсіювання її обмежують?
• Як дрейф і дифузія пов'язані через співвідношення Ейнштейна?
• Чому прямота забороненої зони контролює, чи ефективно напівпровідник випромінює світло?
• Що таке екситони та фотопровідність, і як вони формують оптичну відповідь?

Key concepts

• Дрейф, рухливість та провідність носіїв заряду
• Фононне та домішкове розсіювання
• Дифузія та співвідношення Ейнштейна
• Прямі проти непрямих оптичних переходів
• Екситони та фотопровідність

Clinical relevance

Транспортні та оптичні властивості визначають продуктивність пристрою: рухливість встановлює швидкість транзистора, пряма або непряма заборонена зона визначає, чи може матеріал створювати ефективні світлодіоди (LED) та лазери (як у арсеніді галію проти кремнію), а поглинання керує фотодетекторами та сонячними елементами.

History

Ефект Холла (1879) забезпечив ранній засіб для вимірювання знака та густини носіїв заряду; квантова теорія поглинання на краю зони та екситонів розвинулася у 1930-х роках, а визнання того, що сполуки з прямою забороненою зоною, такі як арсенід галію, ефективно випромінюють світло, стало основою оптоелектроніки, що виникла з середини XX століття.

Key figures

• Edwin Hall
• Albert Einstein
• Gregory Wannier

Seminal works

• ashcroft1976
• sze2007

Frequently asked questions

Чому кремній створює погані світловипромінюючі пристрої?

Кремній має непряму заборонену зону, тому електрон і дірка, що рекомбінують через заборонену зону, також повинні залучати фонон для збереження імпульсу; це робить радіаційну рекомбінацію неефективною, тому для світлодіодів та лазерів використовуються матеріали з прямою забороненою зоною, такі як арсенід галію.

Що обмежує швидкість руху носіїв заряду в напівпровіднику?

Носії заряду розсіюються коливаннями кристалічної ґратки (фононами) та іонізованими домішками; ці зіткнення обмежують рухливість, причому фононне розсіювання домінує при високих температурах, а домішкове розсіювання – при низьких температурах та сильному легуванні.