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.
| Kenmerk | Directe bandafstand | Indirecte bandafstand |
|---|---|---|
| Bandstructuur | De onderkant van de geleidingsband en de top van de valentieband liggen op dezelfde plaats in de impulsruimte | De onderkant van de geleidingsband en de top van de valentieband liggen op verschillende plaatsen in de impulsruimte |
| Emissie en absorptie van licht en fononen | Overgang mogelijk zonder fonon | Er moet tegelijk een fonon meedoen om de impuls aan te vullen |
| Emissie-efficiëntie | Hoog. Grote kans op stralende recombinatie | Zeer laag. Meestal wordt de energie via niet-stralende recombinatie warmte |
| Levensduur van minderheidsladingsdragers (indicatief) | Kort. In de orde van ns | Lang. In silicium van hoge kwaliteit µs tot ms |
| Lichtabsorptie nabij de bandrand | Wordt vanaf de absorptierand abrupt sterk (ongeveer 10⁴ cm⁻¹ of meer) | Zwak nabij de absorptierand en wordt geleidelijk sterker bij hogere energie |
| Absorptiediepte van licht | Ondiep. In GaAs wordt het grootste deel van het zonlicht in een dikte van ongeveer 1 tot 2 µm geabsorbeerd | Diep. In silicium dringt licht met een golflengte van ongeveer 1 µm meer dan 100 µm door |
| Gebruik in lichtdetectoren | Een dunne absorptielaag volstaat; geschikt voor snelle ontvangers | Een dikkere absorptielaag of een structuur die het licht opsluit is nodig |
| Typische materialen | GaAs (ongeveer 1,42 eV), InP (ongeveer 1,34 eV), GaN (ongeveer 3,4 eV) en mengkristallen zoals InGaN | Si (ongeveer 1,12 eV), Ge (ongeveer 0,66 eV), SiC, GaP |
| Belangrijkste toepassingen | Leds, halfgeleiderlasers, zonnecellen met hoog rendement, ontvangers voor communicatie | LSI's, vermogenscomponenten, fotodiodes, beeldsensoren, zonnecellen |
De getalswaarden zijn typische ordegroottes en variëren per procesgeneratie en product.