Directe versus indirecte bandafstand: lichtemissie en absorptie

In een halfgeleider met een directe bandafstand liggen de onderkant van de geleidingsband en de top van de valentieband op dezelfde plaats in de impulsruimte (golfgetal), zodat recombinatie van een elektron en een gat direct licht kan uitzenden. Bij een indirecte bandafstand liggen ze op verschillende plaatsen, zodat voor het uitzenden of absorberen van licht tegelijk een fonon (roostertrilling) nodig is om de impuls aan te vullen. Daarom worden materialen met een directe bandafstand zoals GaAs, InP en GaN gebruikt voor leds en halfgeleiderlasers, terwijl Si en Ge met een indirecte bandafstand ongeschikt zijn voor lichtemissie, maar breed worden ingezet voor lichtdetectoren en LSI's.

KenmerkDirecte bandafstandIndirecte bandafstand
BandstructuurDe onderkant van de geleidingsband en de top van de valentieband liggen op dezelfde plaats in de impulsruimteDe onderkant van de geleidingsband en de top van de valentieband liggen op verschillende plaatsen in de impulsruimte
Emissie en absorptie van licht en fononenOvergang mogelijk zonder fononEr moet tegelijk een fonon meedoen om de impuls aan te vullen
Emissie-efficiëntieHoog. Grote kans op stralende recombinatieZeer laag. Meestal wordt de energie via niet-stralende recombinatie warmte
Levensduur van minderheidsladingsdragers (indicatief)Kort. In de orde van nsLang. In silicium van hoge kwaliteit µs tot ms
Lichtabsorptie nabij de bandrandWordt vanaf de absorptierand abrupt sterk (ongeveer 10⁴ cm⁻¹ of meer)Zwak nabij de absorptierand en wordt geleidelijk sterker bij hogere energie
Absorptiediepte van lichtOndiep. In GaAs wordt het grootste deel van het zonlicht in een dikte van ongeveer 1 tot 2 µm geabsorbeerdDiep. In silicium dringt licht met een golflengte van ongeveer 1 µm meer dan 100 µm door
Gebruik in lichtdetectorenEen dunne absorptielaag volstaat; geschikt voor snelle ontvangersEen dikkere absorptielaag of een structuur die het licht opsluit is nodig
Typische materialenGaAs (ongeveer 1,42 eV), InP (ongeveer 1,34 eV), GaN (ongeveer 3,4 eV) en mengkristallen zoals InGaNSi (ongeveer 1,12 eV), Ge (ongeveer 0,66 eV), SiC, GaP
Belangrijkste toepassingenLeds, halfgeleiderlasers, zonnecellen met hoog rendement, ontvangers voor communicatieLSI's, vermogenscomponenten, fotodiodes, beeldsensoren, zonnecellen

De getalswaarden zijn typische ordegroottes en variëren per procesgeneratie en product.

Wanneer welke variant?

Directe bandafstand
Wanneer elektriciteit in licht moet worden omgezet. Gebruikt voor de emissielaag van leds en halfgeleiderlasers en voor ontvangers en zonnecellen met hoog rendement die licht sterk in een dunne laag moeten absorberen.
Indirecte bandafstand
Wanneer geen lichtemissie nodig is. Silicium wordt naast LSI's en vermogenscomponenten gebruikt voor lichtdetectie in fotodiodes, beeldsensoren en zonnecellen.
Combinatie
In siliciumfotonica worden golfgeleiders, modulatoren en Ge-ontvangers op silicium gemaakt, terwijl als lichtbron een laser met directe bandafstand, bijvoorbeeld op basis van InP, wordt opgebonden of als aparte chip wordt gecombineerd.

Veelgestelde vragen

Hoe kan silicium met een indirecte bandafstand licht absorberen?

Bij absorptie is de overgang mogelijk door een fonon te absorberen of uit te zenden dat de impuls aanvult. Omdat de kans klein is, is de absorptie zwakker, maar met voldoende dikte wordt genoeg licht geabsorbeerd. Daarom kunnen siliciumfotodiodes en beeldsensoren zichtbaar licht goed detecteren.

Hoe recombineren elektronen en gaten bij een indirecte bandafstand?

Omdat de kans op stralende recombinatie klein is, verliezen ze hun energie meestal als warmte in plaats van licht, bijvoorbeeld via SRH-recombinatie over niveaus van kristaldefecten of verontreinigingen. Ook de lange levensduur van minderheidsladingsdragers in silicium komt doordat stralende recombinatie weinig voorkomt.

Waarom wordt Ge, dat een indirecte bandafstand heeft, gebruikt in ontvangers voor communicatie?

Ge heeft weliswaar een indirecte bandafstand, maar de directe bandafstand van ongeveer 0,8 eV ligt dicht bij de indirecte bandafstand (ongeveer 0,66 eV). Daardoor absorbeert het licht op communicatiegolflengten tot rond 1,55 µm sterk, en omdat het gemakkelijk op silicium kan worden gegroeid, wordt het gebruikt in ontvangers voor siliciumfotonica.

Waardoor wordt de golflengte van het uitgezonden licht bepaald?

Hoofdzakelijk door de bandafstand van de emissielaag; de golflengte λ (nm) is ongeveer 1240 ÷ Eg (eV). GaAs met ongeveer 1,42 eV geeft nabij-infrarood van ongeveer 870 nm, GaN-materialen geven blauw tot ultraviolet licht. Door de samenstelling van een mengkristal te veranderen kan de bandafstand worden ingesteld; bij InGaN wordt de golflengte langer naarmate er meer indium in zit.

Test uw begrip

Welke bandstructuur heeft galliumarsenide (GaAs)?

  1. ADirecte bandovergang
  2. BIndirecte bandovergang
  3. CGeen bandgap
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: A. Directe bandovergang

GaAs heeft een directe bandovergang: de onderkant van de geleidingsband en de bovenkant van de valentieband liggen op dezelfde plaats in de impulsruimte. Elektronen en gaten recombineren daardoor zonder hulp van fononen en zenden efficiënt licht uit. Daarom wordt GaAs gebruikt voor infrarood-LED's en halfgeleiderlasers (optische schijven, communicatie, VCSEL's voor gezichtsherkenning). Silicium heeft een indirecte bandovergang, waarbij fononen aan de recombinatie deelnemen, zodat de lichtemissie-efficiëntie zeer laag is. De sterke lichtabsorptie maakt bovendien dunne lagen mogelijk, zodat GaAs ook voor zonnecellen met hoog rendement wordt gebruikt.

Welk type bandstructuur heeft silicium?

  1. ADirecte overgang
  2. BIndirecte overgang
  3. CMetaaltype zonder bandkloof
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: B. Indirecte overgang

Silicium heeft een indirecte bandkloof, waarbij de bodem van de geleidingsband en de top van de valentieband op verschillende plaatsen in de impuls- (golfgetal-)ruimte liggen. Om door recombinatie van elektron en gat licht uit te zenden, moet tegelijk een fonon (roostertrilling) betrokken zijn om de impuls aan te vullen, waardoor de lichtuitzendingsefficiëntie zeer laag is. Daarom worden voor LED’s en lasers materialen met directe overgang gebruikt, zoals GaAs, InP en GaN. Lichtabsorptie vindt daarentegen plaats met hulp van fononen, dus silicium is wel bruikbaar als lichtdetector.

Wat is de juiste reden dat bij een halfgeleider met indirecte overgang zoals silicium de kans klein is dat elektron en gat recombineren onder uitzending van licht?

  1. ADe impuls van de onderkant van de geleidingsband en de bovenkant van de valentieband verschilt, zodat voor de overgang een fonon nodig is
  2. BDe mobiliteit van gaten is kleiner dan die van elektronen
  3. CDe bandkloof is te groot
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: A. De impuls van de onderkant van de geleidingsband en de bovenkant van de valentieband verschilt, zodat voor de overgang een fonon nodig is

Bij een indirecte overgang liggen de onderkant van de geleidingsband en de bovenkant van de valentieband ver uit elkaar in de impuls- (golfgetal-)ruimte. Omdat een foton vrijwel geen impuls kan dragen, moet bij de overgang tegelijk een fonon betrokken zijn, en de kans op stralingsrecombinatie is ordes van grootte lager dan bij directe overgang. Ondertussen wordt de energie via o.a. SRH-recombinatie in warmte omgezet, dus silicium is niet geschikt voor lichtuitzendende componenten. Hierom worden bij siliciumfotonica InP e.d. als lichtbron aan het silicium gebonden.

  1. Welke factor bepaalt hoofdzakelijk de lichtkleur (golflengte) van een led?
  2. Waarom wordt in siliciumfotonica een verbindingshalfgeleider gecombineerd met de laserlichtbron?
  3. Wat is een juiste reden waarom germanium (Ge) veel wordt gebruikt voor fotodetectoren voor telecomgolflengten in optische siliciumcircuits?

Oefenvragen over Halfgeleiderfysica

Belangrijke termen uitgelegd

Directe bandovergang (direct bandgap)
Bandstructuur waarin de onderkant van de geleidingsband en de bovenkant van de valentieband bij dezelfde golfvector liggen. Recombinatie van elektronen en gaten zendt efficiënt licht uit. Voorbeeld: GaAs.
Indirecte bandovergang (indirect bandgap)
Bandstructuur waarbij de impuls (golfgetal) van de onderkant van de geleidingsband en de bovenkant van de valentieband verschillen. Voor de overgang is een fonon nodig, zodat nauwelijks licht wordt uitgezonden. Silicium en germanium zijn typische voorbeelden.
Bandgap (bandkloof)
Energieverschil tussen de bovenkant van de valentieband en de onderkant van de geleidingsband. Silicium heeft bij kamertemperatuur ongeveer 1,12 eV. Hoe groter, hoe beter het bestand is tegen hoge temperaturen en hoge spanningen.
GaAs (galliumarsenide)
III-V-verbindingshalfgeleider van gallium en arseen. Directe bandovergang met een bandgap van circa 1,42 eV. Hoge elektronenmobiliteit; gebruikt voor hoogfrequente transistors en voor infrarood-LED's en lasers.
Fotodiode
Diode die bij lichtinval lading (stroom) opwekt. Wordt gebruikt als lichtgevoelig element in de pixels van beeldsensoren.

Verwante vergelijkingen