Прямая и непрямая запрещенная зона
В физике полупроводников ширина запрещенной зоны полупроводника может быть двух основных типов: прямая запрещенная зона или непрямая запрещенная зона . Состояние с минимальной энергией в зоне проводимости и состояние с максимальной энергией в валентной зоне характеризуются определенным импульсом кристалла (k-вектором) в зоне Бриллюэна . Если k-вектора различны, материал имеет «косвенный зазор». Запрещенная зона называется «прямой», если кристаллический импульс электронов и дырок одинаков как в зоне проводимости , так и в валентной зоне .; электрон может напрямую излучать фотон. В «непрямом» зазоре фотон не может быть испущен, потому что электрон должен пройти через промежуточное состояние и передать импульс кристаллической решетке.
Примеры материалов с прямой запрещенной зоной включают аморфный кремний и некоторые материалы III-V, такие как InAs и GaAs . Материалы с непрямой запрещенной зоной включают кристаллический кремний и Ge . Некоторые материалы III-V также имеют непрямую запрещенную зону, например AlSb .
Взаимодействия между электронами , дырками , фононами , фотонами и другими частицами необходимы для соблюдения закона сохранения энергии и импульса кристалла (т. е. сохранения полного k-вектора). Фотон с энергией, близкой к запрещенной зоне полупроводника, имеет почти нулевой импульс. Один важный процесс называется излучательной рекомбинацией ., где электрон в зоне проводимости аннигилирует дырку в валентной зоне, высвобождая избыточную энергию в виде фотона. Это возможно в полупроводнике с прямой запрещенной зоной, если электрон имеет k-вектор вблизи минимума зоны проводимости (дырка будет иметь тот же k-вектор), но невозможно в полупроводнике с непрямой запрещенной зоной, поскольку фотоны не могут переносить импульс кристалла. , и таким образом будет нарушен закон сохранения импульса кристалла. Чтобы излучательная рекомбинация происходила в материале с непрямой запрещенной зоной, процесс должен также включать поглощение или испускание фонона , где импульс фонона равен разнице между импульсом электрона и дырки. Вместо этого он также может включать кристаллографический дефект ., который выполняет по сути ту же роль. Участие фонона делает этот процесс гораздо менее вероятным в заданный промежуток времени, поэтому излучательная рекомбинация намного медленнее в материалах с непрямой запрещенной зоной, чем в материалах с прямой запрещенной зоной. Вот почему светоизлучающие и лазерные диоды почти всегда изготавливаются из материалов с прямой запрещенной зоной, а не из материалов с непрямой запрещенной зоной, таких как кремний .
Тот факт, что излучательная рекомбинация протекает медленно в материалах с непрямой запрещенной зоной, также означает, что в большинстве случаев излучательная рекомбинация будет составлять небольшую долю от общего числа рекомбинаций, причем большинство рекомбинаций будут безызлучательными, происходящими в точечных дефектах или на границах зерен . Однако, если возбужденным электронам не удается достичь этих мест рекомбинации, у них нет другого выбора, кроме как в конечном итоге вернуться в валентную зону в результате излучательной рекомбинации. Это можно сделать, создав в материале дислокационную петлю. [ требуется уточнение ]На краю петли плоскости над и под «дислокационным диском» раздвигаются, создавая отрицательное давление, которое существенно повышает энергию зоны проводимости, в результате чего электроны не могут пройти этот край. При условии, что область непосредственно над дислокационной петлей бездефектна ( безызлучательная рекомбинация невозможна), электроны будут падать обратно на валентную оболочку за счет излучательной рекомбинации, испуская свет. Это принцип, на котором основаны «DELED» (дислокационные светодиоды). [ нужна ссылка ]
Полной противоположностью излучательной рекомбинации является поглощение света. По той же причине, что и выше, свет с энергией фотона, близкой к запрещенной зоне, может проникать намного дальше, прежде чем поглощаться в материале с непрямой запрещенной зоной, чем материал с прямой запрещенной зоной (по крайней мере, поскольку поглощение света связано с возбуждением электронов поперек запрещенной зоны). ширина запрещенной зоны).
