直接遷移型と間接遷移型の半導体の違い：バンド構造・発光効率・光吸収・材料を比較
直接遷移型の半導体では、伝導帯の底と価電子帯の頂上が運動量(波数)の空間で同じ位置にあり、電子と正孔が再結合するとそのまま光を出せます。間接遷移型では両者の位置がずれているため、光を出したり吸収したりするには、運動量を補うフォノン(格子振動)が同時に関わる必要があります。そのため、GaAs・InP・GaNなどの直接遷移型はLEDや半導体レーザーに使われ、間接遷移型のSiやGeは発光には向きませんが、受光素子やLSIに広く使われます。
| 項目 | 直接遷移型 | 間接遷移型 |
|---|---|---|
| バンド構造 | 伝導帯の底と価電子帯の頂上が、運動量の空間で同じ位置にある | 伝導帯の底と価電子帯の頂上が、運動量の空間でずれている |
| 光の放出・吸収とフォノン | フォノンなしで遷移できる | 運動量を補うフォノンが同時に関わる必要がある |
| 発光効率 | 高い。放射再結合の確率が高い | きわめて低い。多くは非放射再結合で熱になる |
| 少数キャリアの寿命(目安) | 短い。ns程度 | 長い。高品質なシリコンではµs〜msに達する |
| バンド端付近の光の吸収 | 吸収端から急に強くなる(約10⁴ cm⁻¹以上) | 吸収端の近くでは弱く、エネルギーが高くなるにつれて徐々に強くなる |
| 光が吸収される深さ | 浅い。GaAsでは約1〜2 µmの厚さで太陽光の大部分を吸収する | 深い。シリコンでは波長約1 µmの光が100 µm以上入り込む |
| 受光素子での扱い | 薄い吸収層で済み、高速の受光器に向く | 吸収層を厚くするか、光を閉じ込める構造が必要 |
| 代表的な材料 | GaAs(約1.42 eV)、InP(約1.34 eV)、GaN(約3.4 eV)、InGaNなどの混晶 | Si(約1.12 eV)、Ge(約0.66 eV)、SiC、GaP |
| 主な用途 | LED、半導体レーザー、高効率の太陽電池、通信用の受光器 | LSI、パワー素子、フォトダイオード、イメージセンサ、太陽電池 |
数値は代表的な目安で、世代や製品によって異なります。