Puolijohteessa se vaatii kaistavälien energiaa ($ E_g $) vastaavan energian elektronin virittämiseksi johtokaistalle. Tämä synnyttää eksitonin (johtavat elektroni-valenssi reikäparit). Näiden rekombinoitumisen yhteydessä vapautuneen energian (exciton sitova energia, $ E_B $) sanotaan olevan hieman pienempi kuin kaistan raon energia.
Tässä ovat kysymykseni:
-
Miksi $ E_B $ on pienempi kuin $ E_g $?
-
Mihin energiaero $ E_g – E_B $ menee excitonin muodostamisen aikana?
Olen huomannut tämän kysymyksen mahdollisena kaksoiskappaleena, mutta vastaus ei todellakaan sano enempää kuin ”Se on hyvin monimutkaista”. Eikö ole järkevää tapaa saada vähintään intuitiivinen käsitys näistä kysymyksistä?
Kommentit
- Huomaa, että eksitoniinin sitoutumisenergia on ero hiukkashiukkasten kaistan aukon ja eksitoni-viritysenergian välillä. Tekstissäsi viitataan eksitonin sitomisenergiaan kuin eksiton-herätteen energiaan. pubs.rsc.org / services / images / …
Vastaa
Eksiton on vuorovaikutus alun perin vapaan elektronin ja vapaan reiän välillä. Coulomb-voiman kautta nämä parit muodostavat pseudovety-kaltaisen kompleksin.
Voisin ehdottaa tarkastelua Jacques Pankoveen ” s erinomainen ”Optiset prosessit puolijohteissa”, jossa eksitonit esitellään sivulla 12. Joitakin asiaankuuluvia lainausmerkkejä Harkittavat:
Vapaa aukko ja vapaa elektroni vastakkaisten varausten parina kokevat coulomb-vetovoiman. Siksi elektroni voi kiertää reiän ikään kuin tämä olisi vetymainen atomi …
Eksitoni voi vaeltaa kiteen läpi (elektroni ja reikä ovat nyt vain suhteellisen vapaita, koska ne liittyvät matkapuhelinpari). Tämän liikkuvuuden vuoksi exciton ei ole joukko paikkakunnalla paikallisia tiloja. Lisäksi eksitonitiloilla ei ole tarkkaan määriteltyä potentiaalia puolijohteiden energiakaaviossa. On kuitenkin tapana käyttää johtokaistan reunaa vertailutasona ja tehdä tästä reunasta jatkumotila ($ n = \ infty $).
Tämä ”mukautus” on järkevää, koska jatkumistila on elektronin ja aukon paluu ”vapaaseen” tilaansa, jotka ovat johtumis- ja valenssikaistoilla.
Vastaus
- Miksi $ E_ {B} $ pienempi kuin $ E_ {g} $ ?
Sellaisia ei ole asia, joka rajoittaa $ E_ {B} < E_ {g} $ . $ E_ {B} $ voi harvinaisissa olosuhteissa olla suurempi kuin $ E_ {g} $ . Kun $ E_ {B} $ ylittää $ E_ {g} $ , makroskooppinen määrä eksitoneja spontaanisti muodostunut (ilman mitään herätteitä). Tätä ”maadoitettua” tilaa kutsutaan tyypillisesti eksitoniseksi eristeeksi. Katso Phys. Esim. 158 , 462 (1967) . Alkaen Grosso & Pastori Parravicini, Solid State Physics , käy ilmi, että $$ E_ {B} \ noin 13,6 \ dfrac {m _ {\ text {ex}}} {m_ {e}} \ dfrac {1} {\ varepsilon ^ {2}} \ quad \ text {(eV) } $$ , joka on muutaman meV: n luokkaa epäorgaanisissa puolijohteissa verrattuna muutaman eV: n kaista-aukkoon. $ E_ {g} $ voidaan kuitenkin suunnitella esimerkiksi kaksoiskvanttikaivoihin, joissa muodostetaan epäsuoria eksitoneja johtokanavaelektronilla yhdessä kaivossa ja valenssilla -nauhareikä toisessa kaivossa. Tällä tavalla $ E_ {g} $ voidaan tehdä pienemmäksi kuin $ E_ {B} $ . Katso Nat. Commun. 8 , 1971 (2017) .
- Mihin energiaero $ E_ {g} −E_ {B} $ menee excitonin muodostamisen aikana?
Rentoutumisprosessin aikana enimmäkseen fononit ottavat energiaa pois kuumilta elektronilta eksitonien muodostamiseksi. Fononi, jolla on energiaa $ E _ {\ text {phonon}} = E_ {g} −E_ {B} $ tai monet pienemmän energian puhelimet, voi viedä energian pois. Viat tai muut säteilevät / ei-säteilevät prosessit voivat myös.
Kommentit
- Mielestäni avainasemassa on lausuntosi ”>
Kun $ E_B $ ylittää $ E_g $, makroskooppinen määrä eksitoneja muodostuu spontaanisti ".Pohjimmiltaan $ E_B < E_g $ tarkoittaa, että järjestelmäsi on vakaa eikä luo lisää eksitoneja.