Прямозонные и непрямозонные полупроводники

Рассматриваемая в трехмерном пространстве поверхность зоны проводимости (а также и валентной зоны) совсем не выглядит ровной плоскостью. На ней наблюдаются холмы и долины, а иногда и глубокие ямы.

Шириной запрещенной зоны считают всегда минимальное расстояние между самой глубокой долиной зоны проводимости и самым высоким холмом валентной зоны. Но довольно часто случается, что вершина такого холма и дно долины лежат в разных координатах. Такие полупроводники называют непрямозонными. Ну а если дно долины лежит против вершины холма – прямозонными.

Другими словами, потолок валентной зоны для полупроводников, соответствующий экстремуму зависимости E(k), находится в центре зоны Бриллюэна при k=0 (см. §4.3). Дно зоны проводимости в различных полупроводниках может находиться как в центре зоны Бриллюэна при k=0, так и в других точках зоны Бриллюэна при k¹0. Первый тип полупроводников получил название прямозонных (потолок валентной зоны и дно зоны проводимости находятся при k=0), а второй тип полупроводников – непрямозонных (потолок валентной зоны находится при k=0, а дно зоны проводимости при k¹0).

Типичными полупроводниками с прямозонной энергетической структурой являются GaAs, GaP, GaN, InGaAsP. К полупроводникам с непрямозонной энергетической структурой относятся германий Ge и кремний Si. (Гиперссылка 6.4)

Излучательная рекомбинация в этих двух типах полупроводников имеет особенности. При межзонных переходах (рис. 6.5) в непрямозонных полупроводниках необходимо участие третьей частицы с малой энергией, но большим квазиимпульсом. Такой частицей в твердых телах является акустический фонон. Поскольку вероятность излучательных переходов (с выделением фотона) с участием трех частиц ниже, чем двух, то, следовательно, в непрямозонных полупроводниках вероятность излучательной рекомбинации будет всегда меньше, чем в прямозонных.

>

Ec

Ec

Ev

Ev

E

E

Фонон

Фотон

Фотон

k

k

 

Рисунок 6.5. Прямые (слева) и непрямые (справа)

межзонные излучательные переходы

 

Для оптоэлектронных устройств предпочтительнее использовать полупроводниковые соединения с прямозонной энергетической структурой, спектральный диапазон которых лежит в области фундаментального поглощения.