Direct and indirect band gaps (original) (raw)
間接遷移（かんせつせんい、英: indirect bandgap）は、波数空間（k空間）において半導体のバンド図を描いた場合に、伝導帯の底と価電子帯の頂上が同一の波数ベクトル上に存在しないことを言う。波数 k の違いは結晶運動量の違いを表している。間接ギャップ（indirect gap）とも言う。
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|---|---|
| dbo:abstract | In semiconductor physics, the band gap of a semiconductor can be of two basic types, a direct band gap or an indirect band gap. The minimal-energy state in the conduction band and the maximal-energy state in the valence band are each characterized by a certain crystal momentum (k-vector) in the Brillouin zone. If the k-vectors are different, the material has an "indirect gap". The band gap is called "direct" if the crystal momentum of electrons and holes is the same in both the conduction band and the valence band; an electron can directly emit a photon. In an "indirect" gap, a photon cannot be emitted because the electron must pass through an intermediate state and transfer momentum to the crystal lattice. Examples of direct bandgap materials include amorphous silicon and some III-V materials such as InAs and GaAs. Indirect bandgap materials include crystalline silicon and Ge. Some III-V materials are indirect bandgap as well, for example AlSb. (en) En physique des semi-conducteurs, on appelle gap la largeur de la bande interdite, laquelle est l'intervalle d'énergies situé entre l'état de plus basse énergie de la bande de conduction et l'état de plus haute énergie de la bande de valence. On parle de gap direct lorsque ces deux extremums correspondent au même quasi-moment (quantité de mouvement associée au vecteur d'onde dans la première zone de Brillouin), et de gap indirect lorsque la différence entre les vecteurs d'onde de ces deux extremums est non nulle. Les matériaux à gap direct et ceux à gap indirect se comportent très différemment du point de vue optoélectronique car les porteurs de charge des matériaux à gap direct peuvent passer d'une bande à l'autre en échangeant simplement un photon, dont la quantité de mouvement est négligeable à ces niveaux d'énergie, tandis que les porteurs des matériaux à gap indirect doivent interagir à la fois avec un photon et avec un phonon afin de modifier leur vecteur d'onde, ce qui rend la transition bien moins probable. Un certain nombre de semi-conducteurs III-V sont à gap direct, comme l'arséniure de gallium GaAs et l'arséniure d'indium InAs, tandis que d'autres sont à gap indirect, comme l'antimoniure d'aluminium AlSb ; le silicium et le germanium sont également des semi-conducteurs à gap indirect. * Représentation d'un gap direct dans un semiconducteur. * Représentation d'un gap indirect dans un semiconducteur. (fr) Nella fisica dei semiconduttori, una banda proibita indiretta, detta anche bandgap indiretta, è una banda proibita nella quale l'energia minima nella banda di conduzione è spostata di un relativo alla banda di valenza. Il vettore-k differenza rappresenta una differenza di quantità di moto. I semiconduttori che posseggono una banda proibita indiretta sono inefficienti nell'emissione di luce.Ciò perché ogni elettrone presente nella banda di conduzione si assesta velocemente all'energia minima di quella banda. Questi ultimi richiedono una minima fonte di momento che gli permetta di superare la soglia e di cadere nella banda di valenza. I fotoni posseggono poco momento in confronto a questo livello di energia. Il "calcio" di momento di un fotone emesso o assorbito è trascurabile e le transizioni dirette sono per la maggior parte 'verticali' nello spazio k. Dato che l'elettrone non può riguadagnare la banda di valenza per , gli elettroni della banda di conduzione resistono molto tempo prima di ricombinarsi in modi meno efficienti. Il silicio è un semiconduttore a banda proibita indiretta, perciò non è generalmente utile nei diodi LED o diodi laser. Comunque, nel silicio, le ricombinazioni indirette (non radiative) possono avvenire in difetti puntuali o in irregolarità ai bordi (superficiali). Se agli elettroni eccitati è impedito il raggiungimento di questi siti di ricombinazione, essi non hanno altre possibilità che ricadere nella banda di valenza attraverso un processo radiativo. Questo può essere realizzato creando un circolo di dislocazione nel silicio. Al bordo di questo circolo, i piani al di sopra e al di sotto del "disco di dislocazione" sono tirati all'esterno, creando una pressione negativa, che innalza l'energia della banda di conduzione in modo sostanziale, facendo in modo che gli elettroni non possano superare questo bordo. A patto che l'area direttamente sopra il disco di dislocazione sia privo di difetti (inibendo così le ricombinazioni non-radiative), gli elettroni ricadranno nel guscio di riposo mediante ricombinazioni radiative, ossia emettendo luce. Questo principio è la base per la realizzazione dei DELED (Dislocation-Engineered LED). Allo stesso modo l'assorbimento della luce ad una gap indiretta è molto più debole che ad una diretta. Poiché nel processo di emissione devono valere entrambe le leggi di conservazione dell'energia e del momento, l'unico modo per promuovere un elettrone dal massimo della banda di valenza al minimo della banda di conduzione è di emettere (o assorbire) simultaneamente un fonone che compensi il momento mancante: questa transizione combinata (del secondo ordine) ha una probabilità molto minore. L'assorbimento (colore) di un materiale a gap indiretta di solito dipende dalla temperatura più che per un materiale a gap diretta, perché a basse temperature (per esempio 4 K) i fononi non sono disponibili per un processo combinato (vibronico). Per esempio il silicio comincia a trasmettere luce rossa a queste temperature, perché i fotoni rossi non hanno energia sufficiente per un processo diretto. In alcuni materiali con banda proibita indiretta il valore della banda proibita è negativo, perciò il massimo della banda di valenza è più alta del minimo della banda di conduzione. Tali materiali sono conosciuti come semimetalli. (it) 間接遷移（かんせつせんい、英: indirect bandgap）は、波数空間（k空間）において半導体のバンド図を描いた場合に、伝導帯の底と価電子帯の頂上が同一の波数ベクトル上に存在しないことを言う。波数 k の違いは結晶運動量の違いを表している。間接ギャップ（indirect gap）とも言う。 (ja) 直接能隙（英语：Direct band gaps）是指半导体材料的导带底的极小值和价带顶的极大值在k空间内对应同一个k值的能带结构，具有这种结构的半导体称为直接跃迁型半导体（或称直接带隙半导体）。直接带隙结构中，电子由价带顶跃迁至导带底时保持k不变，并吸收光子。 间接能隙（英语：Indirect band gaps）是指半导体材料的导带底的极小值和价带顶的极大值在k空间内对应不同k值的能带结构，具有这种结构的半导体称为间接跃迁型半导体（或称间接带隙半导体）。间接带隙结构中，电子由价带顶跃迁至导带底时动量发生改变，因此电子跃迁时除吸收光子外还要吸收或发射声子，这样才能满足动量守恒的要求。 (zh) |
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