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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)

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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

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  1. 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

  2. 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

  3. 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/)

  4. 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

  5. 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

  6. シリコンの金属光沢

  7. 可視光領域 半導体の反射色 シリコン ゲルマニウム

  8. 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

  9. research.kahaku.go.jp/geology/ sakurai/033.GIF staff.aist.go.jp/takumi-sato/ koubut/ryuka/B018.jpg 金色の半導体黄鉄鉱(パイライトFeS2)を例に

  10. なぜ金ぴか？ 赤から緑の波長域にある強い吸収が原因

  11. 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

  12. 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)

  13. 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

  14. 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

  15. ドナーアクセプター対遷移 伝導帯 • 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 価電子帯

  16. 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 • 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。 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 NECプラズマディスプレイ㈱のHPより

  17. 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 TDKのHPより

  18. 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4T1から基底状態6A1への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 4T2 4T1 4A1

  19. 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 三洋電機のHPより

  20. 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)

  21. 各種ディスプレイの比較 光産業技術協会 のHPより

  22. 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

  23. 交通信号機が変わった

  24. 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

  25. LEDの原理 再結合 - - - - + + + + ｐ型 ｎ型 • 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 空間電荷層

  26. 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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