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