加载中…关于直接带隙和间接带隙半导体
(2022-05-14 17:04:40)| 分类： 太阳能电池研究 |
回答以下问题：如何判断一种新材料是直接带隙还是间接带隙，直接带隙和间接带隙材料的应用有什么不同？
我的理解：直接带隙还是间接带隙，在理论上是通过计算，得出其能带结构，看导带低和价带顶是否同一K值处就可以判断。在实验上是通过光致发光光谱，发光比较强的一般是直接带隙，另外，从吸收光谱上也大致能看出一些区别。
以下为知乎的答案：
确定半导体是直接带隙还是间接带隙的可以用光致发光光谱。
光效率很大的话差不多就是直接带隙，发光效率低的话就是间接带隙。直接带隙材料吸收光谱应该能比较明显地区分出本征吸收带和吸收边，变化相对较缓，而间接带隙材料比较陡峭。
一般发光器件和感光器件需要直接带隙
所以你在设计光电子器件的时候，只要用了间接带隙半导体材料，那么你就事先输了半分。在LED里这个问题体现非常明显。甚至在制造太阳能电池的过程中，能量转化率，直接带隙的半导体材料就是要占优势。
电致发光，就是电子从导带回迁到价带释放光子的过程。对于直接带隙半导体，导带低和价带顶在同一K处，释放光子的过程只有能量的变化。而对于间接带隙半导体，由于导带低和价带顶不在同一K值处，而电子在跃迁过程中需要从导带的最低电势处回迁至价带的最高电势处，这一过程不仅有能量的变化，而且有动量的变化，因此电致发光在间接带隙半导体中很难发生。举例说明：硅基的光电探测器很常见，但是好像没有人用硅制备激光器吧。砷化镓的探测器和激光器都可以实现。
间接带隙半导体电子可以激发到导带；如果考虑电子从导带回到价带，由于主能谷对应k的价带能量很低，因此无论是保持k不变回到价带还是k发生变化回到价带顶，二者概率都很低，因此间接带隙半导体电子从导带回到价带很难。这也是为什么硅这种间接带隙半导体可以用作红外探测器，但很难用作激光器的原因。当然，与之相对的直接带隙半导体，由于不存在声子的参与，就没有上述的问题。
跃迁过程中，电子从价带顶到导带底发生的能量变化和动量变化都要被满足。光子是一种能量较高但是动量却很低的粒子。它可以给电子提供足够的能量。但是却不能提供足够多的动量。直接带隙的材料，电子的跃迁不需要多少动量，所以电子只要吸收到光子就很容易跃迁，相应的器件就可以使用。间接带隙的材料，电子的跃迁不仅需要能量，还需要动量。仅靠光子不够，还需要材料内晶格声子的参与，同时需要两种粒子的参与，那么发生的可能性就低多了。所以间接带隙的材料不适合做光电器件。
那么如何从实验上决定能带宽度呢？常用的方法是利用发光或者测量吸收光谱的方法获得能带宽度。近年来新的技术也被用于测量能带宽度和能带结构，如角分辨光电子能谱可以测量能带结构和能带宽度。
利用发光和吸收谱来测量直接带隙半导体较合适，因为光子能量为能带宽度大小时被电子吸收跃迁到导带不需要声子参与就可发生，发生概率大，吸收边较明显，同样也可以具有较强的发光；而间接带隙半导体则需要声子参与以满足动量守恒，导致跃迁概率降低，光吸收在带边附近不明显，间接带隙半导体基本发光。
尽管如此，直接带隙和间接带隙半导体的能隙可以通过测量吸收系数，用Tauc图粗略估算。值得注意的是Tauc图主要用于体相材料能带宽度的估算，对于低维材料不能采用。因为，Tauc图利用的是体相材料的态密度得到的，而低维材料的态密度与体相材料差异极大。体相材料在带边附近的态密度一般满足平方根关系，而二维材料为台阶状。
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