Номер 3, страница 390 - гдз по физике 10 класс учебник Мякишев, Буховцев

Вопросы к параграфу. Параграф 117. Электрический ток через контакт полупроводников с разным типом проводимости. Транзисторы. Глава 16. Электрический ток в различных средах - номер 3, страница 390.

Условие.

Решение.

Решение 3.

Какой переход называют прямым?

Решение

В физике твердого тела, в частности в теории полупроводников, прямым переходом называют межзонный оптический переход электрона (например, из валентной зоны в зону проводимости), при котором его квазиимпульс (волновой вектор $k$) практически не изменяется.

Энергетическая структура электронов в кристалле описывается зонной диаграммой, которая показывает зависимость энергии электрона $E$ от его квазиимпульса $k$. Основными зонами являются валентная зона (заполненная электронами) и зона проводимости (свободная от электронов при температуре $T=0$ K), разделенные запрещенной зоной.

Прямой переход возможен в так называемых прямозонных полупроводниках. В таких материалах минимум зоны проводимости (потолок валентной зоны) и максимум валентной зоны (дно зоны проводимости) находятся при одном и том же значении квазиимпульса $k$ (чаще всего при $k=0$, в центре зоны Бриллюэна).

При поглощении фотона с энергией $h\nu$, большей или равной ширине запрещенной зоны $E_g$, электрон может перейти из валентной зоны в зону проводимости. Закон сохранения энергии для этого процесса имеет вид:

$E_{c} = E_{v} + h\nu$

где $E_{c}$ — энергия электрона в зоне проводимости, $E_{v}$ — его начальная энергия в валентной зоне, $h\nu$ — энергия поглощенного фотона.

Так как импульс фотона крайне мал по сравнению с квазиимпульсом электрона в кристалле, то при поглощении или испускании фотона квазиимпульс электрона почти не меняется. Таким образом, для прямого перехода выполняется и закон сохранения квазиимпульса:

$k_{c} \approx k_{v}$

где $k_c$ и $k_v$ — квазиимпульсы электрона в зоне проводимости и валентной зоне соответственно. Это означает, что на зонной диаграмме $E(k)$ такой переход изображается вертикальной линией.

Прямые переходы являются высоковероятными процессами, что делает прямозонные полупроводники (например, арсенид галлия GaAs, фосфид индия InP) эффективными поглотителями и излучателями света. Именно поэтому они широко используются в оптоэлектронике для создания светодиодов (LED), лазерных диодов и фотодетекторов.

Для сравнения, в непрямозонных полупроводниках (например, кремний Si, германий Ge) минимум зоны проводимости и максимум валентной зоны расположены при разных значениях квазиимпульса $k$. Для перехода электрона между этими точками требуется изменение не только энергии, но и импульса. Это изменение импульса обеспечивается за счет взаимодействия с фононом (квантом колебаний кристаллической решетки). Такие переходы с участием трех частиц (электрон, фотон, фонон) называются непрямыми, и их вероятность значительно ниже, чем у прямых переходов.

Ответ: Прямым переходом называют оптический переход электрона между энергетическими зонами (например, из валентной зоны в зону проводимости) в кристалле, который происходит без изменения квазиимпульса электрона ($k_{\text{конечный}} \approx k_{\text{начальный}}$). Такие переходы характерны для прямозонных полупроводников и изображаются на зонной диаграмме $E(k)$ в виде вертикальной линии.