半导体的光学和输运性质

半导体吸收光的方式以及其载流子在电场下的漂移和扩散方式，决定了它是否能成为一个好的探测器、发射器或晶体管，而这些性质又源于其能带结构和散射机制。

Definition

半导体的输运性质描述了电子和空穴在电场和浓度梯度下的运动方式，其特征是迁移率、电导率和扩散；光学性质描述了材料如何在其带隙范围内吸收和发射光，这由能带结构和带隙的直接性决定。

Scope

本主题涵盖了半导体的电输运和光学响应：载流子漂移和迁移率、限制其的散射机制（声子和杂质）、扩散和爱因斯坦关系、霍尔效应以及复合。在光学方面，它涵盖了能带边缘吸收、直接带隙和间接带隙在发光方面的区别、激子和光电导。它将该领域的能带结构和载流子统计与可测量的、与器件相关的性质联系起来。

Core questions

• 什么决定了载流子迁移率，哪些散射机制限制了它？
• 漂移和扩散如何通过爱因斯坦关系联系起来？
• 为什么带隙的直接性控制着半导体是否能高效发光？
• 什么是激子和光电导，它们如何影响光学响应？

Key concepts

• 载流子漂移、迁移率和电导率
• 声子和杂质散射
• 扩散和爱因斯坦关系
• 直接与间接光学跃迁
• 激子和光电导

Clinical relevance

输运和光学性质决定了器件性能：迁移率决定了晶体管的速度，直接或间接带隙决定了材料是否能制造高效的LED和激光器（如砷化镓与硅），而吸收则控制着光电探测器和太阳能电池。

History

霍尔效应（1879年）提供了一种早期测量载流子符号和密度的方法；能带边缘吸收和激子的量子理论在1930年代发展起来，而认识到砷化镓等直接带隙化合物能高效发光，则奠定了20世纪中叶出现的光电子学的基础。

Key figures

• Edwin Hall
• Albert Einstein
• Gregory Wannier

Seminal works

• ashcroft1976
• sze2007

Frequently asked questions

为什么硅制造的光电器件性能不佳？

硅具有间接带隙，因此电子和空穴在带隙复合时必须涉及声子以保持动量守恒；这使得辐射复合效率低下，这就是为什么砷化镓等直接带隙材料被用于LED和激光器的原因。

什么限制了载流子在半导体中的运动速度？

载流子受到晶格振动（声子）和电离杂质的散射；这些碰撞限制了迁移率，其中声子散射在高温下占主导地位，杂质散射在低温和重掺杂下占主导地位。