物理システム工学科3年次
「物性工学概論」
第6回半導体と光(3)
ー光る半導体ー
物理システム工学科量子機能工学分野
佐藤勝昭
半導体の反射
• シリコンの反射、ゲルマニウムの反射
• 金属の反射と半導体の反射の違いはあるのか
• 自由電子の運動による電子分極:Drudeの法則
量子的描像:バンド内遷移(intraband transition)
• 束縛電子の運動による電子分極:Lorentzの法則
量子的描像:バンド間遷移(interband transition)
• 反射率R={(n-1)2+2}/{(n+1)2+2}
nが大きくても が大きくてもRは大きくなる
束縛電子による電子分極
md2u/dt2+(m/)du/dt+m02u=-eE
u, Eにexp(-it)型の時間依存性を仮定
-2u -i(m/)u+ 02u=-eE
u=-eE/(02-2-i/)
P=-Neu=Ne2E/(02-2-i/)
D=0E+P= 0E+ Ne2E/(02-2-i/)
= {1+Ne2/0 (02-2-i/)}0E= rE
• r=1+Ne2/0 (02-2-i/)
•
•
•
•
•
•
Lorentz型の分散曲線
• r=1+Ne2/m0 (02-2-i/)
• 0:r () 1+Ne2/m0 02
• :r() 1
• 実数部は分散型
• 虚数部は吸収型
虚数部
実数部
復習:自由電子による電子分極
•
•
•
•
•
•
md2u/dt2+(m/)du/dt=-eE
u=eE/(2+i /)
P=-Neu=-Ne2E/m(2+i /)
r=1-(Ne2/m0){1/ (2+i /)}
Drudeの分散曲線
実数部:負
シリコンの金属光沢
半導体の反射色
シリコン
ゲルマニウム
可視光領域
反射スペクトルのピーク
• シリコンやゲルマニウム
はバンドギャップ付近の
光子エネルギーに対して
は間接遷移であるが、バ
ンドギャップより高いエネ
ルギーでは、k空間の広
い範囲にわたって直接遷
移である。これが高い屈
折率→反射率をもたらす
金色の半導体
黄鉄鉱(パイライトFeS2)を例に
research.kahaku.go.jp/geology/
sakurai/033.GIF
staff.aist.go.jp/takumi-sato/
koubut/ryuka/B018.jpg
なぜ金ぴか?
赤から緑の波長域にある強い
吸収が原因
パイライトの反射スペクトルとバンド構造
FeS2
半導体
反磁性
CoS2
金属
強磁性
NiS2
半導体
反強磁性
半導体からの発光
• 基底状態から何らかの形で励起状態に遷
移が起きたとき、基底状態に戻るときに、熱
や光の形でエネルギーを放出する。光を放
出する減少をルミネセンスという。
• 光で励起:フォトルミネセンス(PL)
• 電界で励起:エレクトロルミネセンス(EL)
• キャリア注入で励起:発光ダイオード(LED)
• 電子線で励起:カソードルミネセンス(CL)
フォトルミネセンス
• 光子(h>Eg)入射
• 価電子帯から伝導帯
へ電子が遷移
• 伝導帯に電子、価電
子帯にホール生成
• 電子、ホールが移動
• 再結合してエネルギー
差を光子として放出
伝導帯
価電子帯
さまざまな発光過程
伝導帯
• バンド間遷移
• バンド・不純物準位間遷移
価電子帯
伝導帯
伝導帯
価電子帯
価電子帯
伝導帯→アクセプター
ドナー→価電子帯
ドナーアクセプター対遷移
• ドナーに捉えられ
た電子とアクセプ
ターに捉えられた
ホールとの再結合
伝導帯
価電子帯
プラズマディスプレイ
• 微小電極間で放電
→気体原子が励起
→紫外線を放出
→蛍光体を励起
→可視光発光
ハイビジョン用 102cm(42型)
富士通日立プラズマディスプレイ㈱のHPより
• 予備放電→書き込み放電→維持
放電→消去放電
• カラーPDPの原理は蛍光灯とよく
似ており、極小の蛍光ランプが無
数に並んで1枚の画面を作ってい
る、そんなイメージです。
NECプラズマディスプレイ㈱のHPより
無機エレクトロルミネセンス
•
•
•
•
•
電子が電界により絶縁体/ZnS界面から放出される
電界で加速されホットエレクトロンとして移動
ホットエレクトロンがMnなど発光中心に衝突
発光中心の電子系が励起される
励起状態が放射遷移
ZnS:Mnの発光(結晶場遷移)
• ZnS:Mnの発光は、
Mn2+イオンの3d5多電
子系における励起状態
4T から基底状態6A へ
1
1
のd-d遷移による。
• このような遷移を結晶場
遷移または配位子場遷
移とよぶ。
• 1電子系のバンド図では
説明できない
基底状態
励起状態
4T
2
4T
1
4A
1
有機エレクトロルミネセンス
• 有機ELは、有機発光層を金属電極と透明電極ではさん
だ構造をとっている。
• 金属電極と透明電極との間に電圧を加えると、有機分子
上を電荷が対向電極に向かって移動する。この移動中
に、ホールと電子が出会うと、有機発光層の中で再結合
し、この時エネルギーを放出する。このエネルギーによっ
て有機発光層が発光する。
光産業技術振興協会のHPより
FED(電界放出型ディスプレイ)
• 真空中において電極から
電子を電界放出
• 低速電子線が対抗電極
上の蛍光体を励起
• カーボンナノチューブを
電極に用いたFEDが有
望
光産業技術協会HP
pixtech社(2002.6破綻)
各種ディスプレイの比較
光産業技術協会
のHPより
発光ダイオード(LED)と半導体レーザ (LD)
三洋赤色LD
日亜 青色LED
三洋青色LD
日亜 電球色LED
日亜化学青紫LD
交通信号機が変わった
半導体pn接合
E
P形
N形
P形とN形を接合するとキャリア拡散が起きる
-
+
+
+
+
拡散電位差
+
拡散電位差
LEDの原理
•
•
•
•
pn接合を順バイアス
電子は、p層に注入
ホールはn層に注入
界面付近で再結合
p型
再結合
-
+
+
+
+
n型
空間電荷層
ミニテストについて
•
•
•
•
指定に従って着席する
学生証を机の上に提示
参考書1冊持ち込み可
カンペA41枚持ち込み可:
– コピー・ワープロ不可
– 自筆に限る。記名して必ず提出。
• 電卓持ち込み可
• 式の誘導はDrude則のみ
• 基礎知識と物理的思考を問う問題を出題
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