Tính chất quang học và vận chuyển của chất bán dẫn

Cách một chất bán dẫn hấp thụ ánh sáng và cách các hạt tải điện của nó dịch chuyển và khuếch tán dưới tác dụng của trường quyết định liệu nó có tạo ra một bộ tách sóng, bộ phát xạ hay bóng bán dẫn tốt hay không, và những tính chất này xuất phát từ cấu trúc vùng năng lượng và sự tán xạ của nó.

Definition

Các tính chất vận chuyển của chất bán dẫn mô tả cách các electron và lỗ trống di chuyển dưới tác dụng của điện trường và gradient nồng độ, được đặc trưng bởi độ linh động, độ dẫn điện và sự khuếch tán; các tính chất quang học mô tả cách vật liệu hấp thụ và phát xạ ánh sáng qua khe hở vùng năng lượng của nó, được xác định bởi cấu trúc vùng năng lượng và tính trực tiếp của khe hở.

Scope

Chủ đề này bao gồm sự vận chuyển điện và phản ứng quang học của chất bán dẫn: sự dịch chuyển và độ linh động của hạt tải điện, các cơ chế tán xạ (phonon và tạp chất) giới hạn nó, sự khuếch tán và mối quan hệ Einstein, hiệu ứng Hall, và sự tái hợp. Về mặt quang học, nó bao gồm sự hấp thụ ở biên vùng năng lượng, sự phân biệt giữa các khe hở trực tiếp và gián tiếp cho sự phát xạ ánh sáng, exciton, và tính quang dẫn. Nó kết nối cấu trúc vùng năng lượng và thống kê hạt tải điện của khu vực với các tính chất có thể đo được liên quan đến thiết bị.

Core questions

• Điều gì xác định độ linh động của hạt tải điện, và những cơ chế tán xạ nào giới hạn nó?
• Sự dịch chuyển và khuếch tán liên quan với nhau như thế nào thông qua mối quan hệ Einstein?
• Tại sao tính trực tiếp của khe hở vùng năng lượng lại kiểm soát việc một chất bán dẫn có phát ra ánh sáng hiệu quả hay không?
• Exciton và tính quang dẫn là gì, và chúng định hình phản ứng quang học như thế nào?

Key concepts

• Sự dịch chuyển, độ linh động và độ dẫn điện của hạt tải điện
• Tán xạ phonon và tạp chất
• Khuếch tán và mối quan hệ Einstein
• Chuyển đổi quang học trực tiếp so với gián tiếp
• Exciton và tính quang dẫn

Clinical relevance

Các tính chất vận chuyển và quang học quyết định hiệu suất thiết bị: độ linh động thiết lập tốc độ bóng bán dẫn, khe hở trực tiếp hay gián tiếp xác định liệu vật liệu có thể tạo ra đèn LED và laser hiệu quả hay không (như trong gali arsenide so với silic), và sự hấp thụ điều khiển các bộ tách sóng quang và pin mặt trời.

History

Hiệu ứng Hall (1879) cung cấp một phương tiện ban đầu để đo dấu và mật độ hạt tải điện; lý thuyết lượng tử về sự hấp thụ ở biên vùng năng lượng và exciton phát triển vào những năm 1930, và sự công nhận rằng các hợp chất có khe hở trực tiếp như gali arsenide phát ra ánh sáng hiệu quả đã củng cố ngành quang điện tử xuất hiện từ giữa thế kỷ XX.

Key figures

• Edwin Hall
• Albert Einstein
• Gregory Wannier

Seminal works

• ashcroft1976
• sze2007

Frequently asked questions

Tại sao silic lại tạo ra các thiết bị phát sáng kém hiệu quả?

Silic có khe hở vùng năng lượng gián tiếp, vì vậy một electron và lỗ trống tái hợp qua khe hở cũng phải liên quan đến một phonon để bảo toàn động lượng; điều này làm cho sự tái hợp bức xạ không hiệu quả, đó là lý do tại sao các vật liệu có khe hở trực tiếp như gali arsenide được sử dụng cho đèn LED và laser.

Điều gì giới hạn tốc độ di chuyển của hạt tải điện trong chất bán dẫn?

Các hạt tải điện bị tán xạ bởi các dao động mạng tinh thể (phonon) và bởi các tạp chất ion hóa; những va chạm này giới hạn độ linh động, với tán xạ phonon chiếm ưu thế ở nhiệt độ cao và tán xạ tạp chất ở nhiệt độ thấp và pha tạp nặng.