Direkte vs. indirekte Halbleiter: die Unterschiede
Bei einem direkten Halbleiter liegen das Minimum des Leitungsbands und das Maximum des Valenzbands im Impulsraum (Wellenzahlraum) an derselben Stelle, sodass Elektron und Loch bei der Rekombination direkt Licht aussenden können. Bei einem indirekten Halbleiter sind beide Positionen gegeneinander verschoben; damit Licht emittiert oder absorbiert werden kann, muss gleichzeitig ein Phonon (Gitterschwingung) beteiligt sein, das den Impuls ausgleicht. Deshalb werden direkte Halbleiter wie GaAs, InP und GaN für LEDs und Halbleiterlaser verwendet, während die indirekten Halbleiter Si und Ge sich nicht zur Lichterzeugung eignen, aber in Photodetektoren und LSIs breit eingesetzt werden.
| Merkmal | Direkter Halbleiter | Indirekter Halbleiter |
|---|---|---|
| Bandstruktur | Leitungsbandminimum und Valenzbandmaximum liegen im Impulsraum an derselben Stelle | Leitungsbandminimum und Valenzbandmaximum sind im Impulsraum gegeneinander verschoben |
| Emission/Absorption von Licht und Phononen | Übergänge ohne Phonon möglich | Ein Phonon zum Impulsausgleich muss gleichzeitig beteiligt sein |
| Lichtausbeute | Hoch. Hohe Wahrscheinlichkeit strahlender Rekombination | Äußerst gering. Meist nichtstrahlende Rekombination, die Energie wird zu Wärme |
| Lebensdauer der Minoritätsladungsträger (Richtwert) | Kurz. Im ns-Bereich | Lang. In hochwertigem Silizium µs bis ms |
| Absorption nahe der Bandkante | Steigt ab der Absorptionskante steil an (etwa 10⁴ cm⁻¹ und mehr) | Nahe der Absorptionskante schwach, nimmt mit steigender Energie allmählich zu |
| Absorptionstiefe | Gering. GaAs absorbiert den Großteil des Sonnenlichts in einer Dicke von etwa 1 bis 2 µm | Groß. In Silizium dringt Licht mit etwa 1 µm Wellenlänge über 100 µm tief ein |
| Einsatz in Photodetektoren | Eine dünne Absorptionsschicht genügt, geeignet für schnelle Photodetektoren | Dicke Absorptionsschicht oder lichteinschließende Strukturen erforderlich |
| Typische Materialien | GaAs (etwa 1,42 eV), InP (etwa 1,34 eV), GaN (etwa 3,4 eV), Mischkristalle wie InGaN | Si (etwa 1,12 eV), Ge (etwa 0,66 eV), SiC, GaP |
| Typische Anwendungen | LEDs, Halbleiterlaser, hocheffiziente Solarzellen, Photodetektoren für die Kommunikation | LSIs, Leistungsbauelemente, Fotodioden, Bildsensoren, Solarzellen |
Die Zahlenwerte sind typische Größenordnungen und variieren je nach Prozessgeneration und Produkt.