In der Halbleiterphysik nennen wir Lücke die Breite des verbotenen Bandes , dh das Intervall der Energien, das zwischen dem Zustand der niedrigsten Energie des Leitungsbandes und dem Zustand der höchsten Energie des Bandes der Valenz liegt . Wir sprechen von einer direkten Lücke, wenn diese beiden Extreme demselben Quasi-Moment entsprechen ( Bewegungsgröße, die mit dem Wellenvektor in der ersten Brillouin-Zone verbunden ist ), und von einer indirekten Lücke, wenn die Differenz zwischen den Wellenvektoren dieser beiden Extremen beträgt nicht Null. Materialien mit direkter Lücke und Materialien mit indirekter Lücke verhalten sich aus optoelektronischer Sicht sehr unterschiedlich, da sich die Ladungsträger von Materialien mit direkter Lücke durch einfaches Austauschen eines Photons , dessen Impuls bei diesen Energieniveaus vernachlässigbar ist, von einem Band zum anderen bewegen können , während Träger indirekter Lücken sind Gap-Materialien müssen sowohl mit einem Photon als auch mit einem Phonon interagieren , um ihren Wellenvektor zu modifizieren, wodurch der Übergang viel weniger wahrscheinlich wird. Eine Anzahl von III - V Halbleiter sind direkte Lücke, wie Galliumarsenid GaAs und Indiumarsenid InAs, während andere indirekt Spalt, wie zum Beispiel Aluminium - Antimonid AlSb; das Silizium und Germanium ist auch indirekte Lücke Halbleiter.
Darstellung einer direkten Lücke in einem Halbleiter.
Darstellung einer indirekten Lücke in einem Halbleiter.
Die Wechselwirkungen zwischen Elektronen , Löchern , Photonen und Phononen finden immer zu einem quasi konstanten Zeitpunkt statt , um den gesamten Wellenvektor zu erhalten . Der Impuls eines Energiephotons, der der Bandlücke eines Halbleiters entspricht, ist im Vergleich zu dem von Ladungsträgern und Phononen vernachlässigbar, so dass der Austausch eines Photons mit einem Träger das Energieniveau dieses Trägers ändert, aber seinen Wellenvektor kaum verändert. Dies ist der Grund, warum Halbleitermaterialien mit direkter Lücke für die Herstellung von Leuchtdioden und Laserdioden bevorzugt werden : Die strahlende Rekombination von Elektronen und Löchern kann durch einfache Emission von Photonen durch das verbotene Band erfolgen, ohne dass eine zusätzliche Wechselwirkung mit Kristallgitterphononen erforderlich ist. was den Übergang viel weniger wahrscheinlich machen würde; Die Strahlungsrekombination von Ladungsträgern ist in Halbleitermaterialien mit indirekter Lücke viel langsamer.
Die Absorption von Photonen durch Halbleiter ist der wechselseitige Prozess der Strahlungsrekombination. Photonen, die mit einer Energie nahe der des verbotenen Bandes versehen sind, dringen tiefer in einen Halbleiter mit indirekter Lücke ein als in einen Halbleiter mit direkter Lücke, da ihre Absorption in dem ersteren das gleichzeitige Eingreifen eines bereitgestellten Phonons erfordert. Das richtige Maß an Bewegung, um den Übergang zu ermöglichen eines Elektrons vom Valenzband zum Leitungsband mit einem Photon dieser Energie. Dies ist wichtig für das Design von Photovoltaikzellen , die aus Kostengründen häufig aus Silizium bestehen und deren Dicke notwendigerweise mindestens mehrere hundert Mikrometer beträgt , um den größten Teil der einfallenden Strahlung, insbesondere im Infrarotbereich , zu absorbieren . Dünnschicht-Photovoltaikzellen hingegen werden mit Halbleitern mit direktem Spalt wie Cadmiumtellurid CdTe, CIGS CuIn x Ga 1 x Se 2 hergestelltund CZTS Cu 2 ZnSnS 4, mit denen Komponenten mit aktiven Schichten von weniger als einem Mikrometer Dicke konstruiert werden können.