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物理システム工学科３年次 「 物性工学概論」 第 5 回半導体の色 (2) ー半導体の電気的性質ー

物理システム工学科３年次 「 物性工学概論」 第 5 回半導体の色 (2) ー半導体の電気的性質ー. 物理システム工学科量子機能工学分野 佐藤勝昭. Diamond structure. 半導体の構造. ダイヤモンド構造 閃亜鉛鉱 ( ジンクブレンド ) 構造 黄銅鉱 ( カルコパイライト ) 構造 非晶質 ( アモルファス ). 半導体のバンド構造. 半導体中の 電子のエネルギー はバンドと呼ばれる 幅を持ったエネルギー領域 の値をとる。 バンドとバンドの間には バンドギャップ と呼ばれる隙間がある。電子はこの範囲のエネルギーをもてない。. フェルミ分布.

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物理システム工学科３年次 「 物性工学概論」 第 5 回半導体の色 (2) ー半導体の電気的性質ー

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  1. 物理システム工学科３年次「物性工学概論」第5回半導体の色(2)ー半導体の電気的性質ー物理システム工学科３年次「物性工学概論」第5回半導体の色(2)ー半導体の電気的性質ー 物理システム工学科量子機能工学分野 佐藤勝昭

  2. Diamond structure 半導体の構造 • ダイヤモンド構造 • 閃亜鉛鉱(ジンクブレンド)構造 • 黄銅鉱(カルコパイライト)構造 • 非晶質(アモルファス)

  3. 半導体のバンド構造 • 半導体中の電子のエネルギーはバンドと呼ばれる幅を持ったエネルギー領域の値をとる。 • バンドとバンドの間にはバンドギャップと呼ばれる隙間がある。電子はこの範囲のエネルギーをもてない。

  4. フェルミ分布 • 電子はフェルミ粒子なので１つの軌道には(s=+1/2とs=-1/2の)２つの電子しか入ることができない。 • 占有の様子は、フェルミ分布関数f(E)で表すことができる。フェルミエネルギーEfが存在し、T=0ではE<Efのときf(E)=1, E=Efのときf(Ef)=1/2、E>Efのときf(E)=0である。式で書くと次式で表される。

  5. 状態密度とフェルミ分布 • 各状態は、バンドの底から順に占有される。バンドの中にフェルミエネルギーEfが存在すると、バンドには電子の満ちた部分と空いた部分ができ、電界を加えたとき、高いエネルギーの状態に遷移できるので、伝導性が保証される。バンドギャップの中にフェルミエネルギーEfが存在すると、絶対零度では、バンドギャップの下のバンドは電子で満たされ、上のバンドは電子が空っぽとなり、絶縁体または半導体となる。

  6. 状態密度N(E)、分布関数f(E)、占有状態密度N(E) f(E)の関係

  7. バンドギャップと半導体の吸収端 • フォトン・エネルギーE=hがエネルギー・ギャップEgより小さいとき、価電子帯の電子がE=hを得ても、伝導帯に遷移できないので、光は吸収されず透過する。 • フォトン・エネルギーがエネルギー・ギャップよりも大きいと、価電子帯の電子が伝導帯に遷移することができるので、光吸収が起きる。吸収が始まる端っこということで、エネルギー・ギャップを吸収端のエネルギー、それに相当する波長を吸収端の波長という。吸収端の波長より長い波長の光は透過する。 伝導帯 Eg h>Eg h 価電子帯

  8. 直接遷移と間接遷移

  9. 透過波長領域 • 下の図は赤外線検出器の窓材として用いられるセレン化亜鉛(ZnSe)の光透過スペクトルである。ZnSeのエネルギーギャップは2.67eVであり、吸収端の波長は463nmである。実際には、吸収スペクトルは吸収端の長波長側まで裾を引いているので、図のように550nm付近より短い波長では光が通らなくなる。20m付近の吸収はフォノンによる。

  10. 実空間で見た間接遷移 =2x(2/3a)(1,1,1) k=(3/2a)(1,1,1) k=(0,0,0)

  11. ZnS 白 Eg=3.5eV 透過域 CdS 黄 Eg=2.6eV GaP 橙 Eg=2.2eV HgS Eg=2eV 赤 GaAs Eg=1.5eV 黒 800nm 300nm 4eV 3eV 2.5eV 2eV 3.5eV 1.5eV 半導体のバンドギャップと透過光の色

  12. 半導体の色 • 透過光の色 • バンドギャップより低いエネルギーの光を全部通す • Eg>3.3eV：無色透明 • Eg=2.6eV：黄色 • Eg=2.3eV：橙色 • Eg=2.0eV：赤色 • Eg<1.7eV：不透明 • 反射光の色 diamond http://www.sei.co.jp/ Ge http://www.ii-vi.com/ ZnSe, ZnS http://www.ii-vi.com/ Si http://www.anstro.gov.au/ HgS www.lotzorox.com/cinn3b.JPG GaAs http://www.ii-vi.com/

  13. 半導体の吸収端 • 半導体Eg[eV] g[nm] • InSb 0.18 6889 • Ge 0.67 1851 • Si 1.11 1117 • InP 1.35 919 • GaAs 1.42 873 • CdTe 1.56 795 • CdSe 1.74 712 • GaP 2.26 549 • CdS 2.42 512 • ZnSe 2.67 463 • GaN 3.39 366 • ZnS 3.68 337 QUIZ それぞれ何色か 考えてみよう

  14. 半導体のバンドギャップと絵の具の色 Mixed crystals of yellow cadmium sulfide CdS and black cadmium selenide CdSe, showing the intermediate-band-gap colors http://webexhibits.org/causesofcolor/10.html

  15. 佐藤勝昭作品5/8-5/18上野都立美術館で展示中

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