직접 천이형과 간접 천이형 반도체의 차이점
직접 천이형 반도체에서는 전도대의 바닥과 가전자대의 꼭대기가 운동량(파수) 공간에서 같은 위치에 있어, 전자와 정공이 재결합하면 그대로 빛을 낼 수 있습니다. 간접 천이형에서는 두 위치가 어긋나 있으므로, 빛을 내거나 흡수하려면 운동량을 보충하는 포논(격자 진동)이 동시에 관여해야 합니다. 그래서 GaAs, InP, GaN 등의 직접 천이형은 LED와 반도체 레이저에 사용되고, 간접 천이형인 Si와 Ge는 발광에는 적합하지 않지만 수광 소자와 LSI에 널리 사용됩니다.
| 비교 항목 | 직접 천이형 | 간접 천이형 |
|---|---|---|
| 밴드 구조 | 전도대의 바닥과 가전자대의 꼭대기가 운동량 공간에서 같은 위치에 있습니다 | 전도대의 바닥과 가전자대의 꼭대기가 운동량 공간에서 어긋나 있습니다 |
| 빛의 방출·흡수와 포논 | 포논 없이 천이할 수 있습니다 | 운동량을 보충하는 포논이 동시에 관여해야 합니다 |
| 발광 효율 | 높음. 복사 재결합의 확률이 높습니다 | 매우 낮음. 대부분 비복사 재결합으로 열이 됩니다 |
| 소수 캐리어 수명(기준값) | 짧음. ns 정도 | 김. 고품질 실리콘에서는 µs~ms에 이릅니다 |
| 밴드 끝 부근의 빛 흡수 | 흡수단에서 급격히 강해집니다(약 10⁴ cm⁻¹ 이상) | 흡수단 근처에서는 약하고, 에너지가 높아질수록 서서히 강해집니다 |
| 빛이 흡수되는 깊이 | 얕음. GaAs에서는 약 1~2 µm 두께로 태양광의 대부분을 흡수합니다 | 깊음. 실리콘에서는 파장 약 1 µm의 빛이 100 µm 이상 침투합니다 |
| 수광 소자에서의 취급 | 얇은 흡수층으로 충분하여 고속 수광기에 적합합니다 | 흡수층을 두껍게 하거나 빛을 가두는 구조가 필요합니다 |
| 대표 재료 | GaAs(약 1.42 eV), InP(약 1.34 eV), GaN(약 3.4 eV), InGaN 등의 혼정 | Si(약 1.12 eV), Ge(약 0.66 eV), SiC, GaP |
| 주요 용도 | LED, 반도체 레이저, 고효율 태양전지, 통신용 수광기 | LSI, 전력 소자, 포토다이오드, 이미지 센서, 태양전지 |
수치는 대략적인 자릿수 기준이며, 공정 세대와 제품에 따라 달라져요.