【半導体工学】直接遷移と間接遷移

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工学

半導体で電子が価電子帯-伝導帯間で遷移する際に電子の波数が変化するかしないかで直接遷移と間接遷移に分けられます.本記事では直接遷移と間接遷移について説明します.

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直接遷移と間接遷移

半導体において電子が価電子帯-伝導帯の間で遷移する際に直接遷移間接遷移があります.後ほどより詳しく説明しますが,直接遷移では電子が遷移する際に波数 (運動量)が変化しなく,間接遷移では電子が遷移する際に波数が変化します.またこの直接遷移か間接遷移かは半導体の材料によって変わります.

光の吸収と放出

図1 光の吸収と放出

まず図1の光の吸収と放出について解説します.電子が価電子帯から伝導帯に励起するにはエネルギーが必要ですが,このエネルギーは熱の他に,光を吸収することでもエネルギーを得て電子が励起します.また電子が伝導帯から価電子帯に遷移 (再結合)する際に,余ったエネルギーが光として放出することがあります.このとき放出する光の波長はエネルギーギャップに依存します.

直接遷移

図2 直接遷移型半導体での遷移

図2に直接遷移型半導体での遷移を示します.縦軸はエネルギー,横軸は波数です.図からわかるように直接遷移では価電子帯と伝導帯の間で電子が遷移する際に波数が変わっていません.直接遷移型半導体としてはGaN,GaAs,InP,InAsがあります.直接遷移では電子が遷移する際に波数が変わらないため発光効率が良く,LED (Light Emitting Diode)やLD (Laser Diode: 半導体レーザ)に用いられます.

間接遷移

図3 間接遷移型半導体での遷移

図3に間接遷移型半導体での遷移を示します.同じく縦軸はエネルギー,横軸は波数です.図からわかるように電子が価電子帯と伝導帯の間で遷移する際に波数が変化することがわかります.波数が変化しますが,これはフォノン (格子振動の量子)の放出・吸収が起こるためです.間接遷移ではフォトンの吸収とフォノンの吸収・放出が同時に起こらなければ発生しないため起こりにくいです.間接遷移型半導体としてはSi,Geなどがあります.間接遷移型半導体では光の放出を伴う再結合の確立が低いため発光効率が悪く,LEDやLDとしては用いられません.

まとめ

  • 直接遷移:電子の波数 (運動量)が変化しない遷移
  • 間接遷移:電子の波数が変化する遷移

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