Запрещенные зоны кремния и их применение в активных оптических элементах - физиков.нет
Купить гитару в Москве
1 голос
/

Я знаю, что у силиона есть косвенная запрещенная зона в $E = 1.12 \, eV $ или $ \lambda = 1.107 \, \mu m$, и я прочитал, что активные оптические процессы, такие как поглощение и излучение, имеют пониженную вероятность возникновения в кремнии из-за дополнительного фонона, который требуется для удовлетворения сохранение импульса. Я также знаю, что по этой причине кремний обычно не используется для создания излучателей света, а солнечные элементы на кремниевой основе используются только по другим техническим причинам.

Что я не понимаю, так это ...

  1. ... почему кремний до сих пор имеет квантовую эффективность до 90%, что даже выше, чем у некоторых прямых полупроводников.

  2. Более того, непрямая запрещенная зона, кажется, совпадает с частотой среза (см. Рисунок) - точка, где я не ожидал бы никакого поглощения или излучения. Что это значит?

  3. Есть ли асимметрия между излучением и эффективностью поглощения кремния? И если да, то почему?

  4. Я также читал, что в кремнии есть даже прямая запрещенная зона на $E = 4.1 \, eV$ или $\lambda = 0.302 \, \mu m$. Так что я бы ожидал высокой квантовой эффективности там, но цифра указывает на иное.

Я действительно думаю, что что-то перепутал. Есть идеи? Буду очень признателен за подсказку. Спасибо!

enter image description here

1 Ответ

2 голосов
/

Позволяет сразу понять одну вещь - хотя поглощение является частью квантовой эффективности, это не единственная часть. Вы должны не только превратить фотон в электронно-дырочную пару, вы также должны вывести эти носители из устройства, которое нужно рассмотреть. Это означает, что в игру вступают другие свойства материала и дизайн устройства. Квантовая эффективность не является свойственной материальным свойством. Графики, подобные тому, который вы демонстрируете, относятся к какому-то «оптимальному» дизайну устройства, где «оптимальный» обычно означает лучшее в разумном диапазоне длин волн.

Теперь, как говорится, давайте продолжим. Кремний поглощает очень хорошо, поскольку любой график зависимости поглощения от частоты (длина волны, энергия, ...) покажет вам (см., Например, Sze, Physics of Semiconductor Devices, Figure 27). Обратите внимание, что для поглощения большего количества фотонов вам может потребоваться увеличить толщину активного объема, но вы, безусловно, можете поглощать фотоны. Обратите внимание, что процесс поглощения создает фононов (без барьера для того, что происходит в процессе), в то время как излучение требует разрушения фонона (поэтому вы ограничены существующей популяцией фононов). Это не симметричный процесс. Затем вам необходимо вывезти носителей из устройства. Это означает срок службы носителя. Для кремния время жизни неосновных носителей составляет около 2,5 миллисекунд. Для GaAs это около 10 наносекунд. Так что, если вы делаете носители в устройстве Si, есть очень хороший шанс, что они выйдут. Это объясняет вопрос № 1.

Ответ на вопрос 2 заключается в том, что если носители не поглощаются (что они не будут находиться ниже (непрямой) запрещенной зоны), квантовой эффективности не будет - вы не сможете транспортировать несуществующие носители. Итак, ниже отсечка, квантовая эффективность должна стремиться к нулю.

Ответ на вопрос 3 содержится выше - существует асимметрия в поглощении по сравнению с излучением из-за асимметрии в создании фонона при поглощении по сравнению с требованием наличия фонона для излучения.

Для вопроса 4 прямой зазор при k = 0 составляет 4,1 эВ, что составляет 300 нм (как вы заметили). Тем не менее, сюжет, который вы показываете, обрезается до 300 нм, поэтому вы не должны делать из этого никаких выводов. И, как показано на рисунке в Sze, влияние прямого зазора на полное поглощение чертовски мало - уже происходит большое поглощение, так что прямой зазор имеет очень небольшой эффект. Но, как указано, и Ge, и InGaAs также демонстрируют падение квантовой эффективности намного выше своих запрещенных зон. Это является следствием того факта, что квантовая эффективность связана не только с параметрами материала, но и с конструкцией устройства. Если вы создадите все пары e-h рядом с одной стороной соединения (высокий коэффициент поглощения в материале), половина из них должна пройти весь путь через область истощения, которую нужно собрать.

Добро пожаловать на сайт физиков.нет, где вы можете задавать вопросы и получать ответы от других членов сообщества.
...