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/) ：r() 1 実数部は分散型 虚数部は吸収型

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 半導体の反射色 シリコン 可視光領域 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 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

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 バンド間遷移 バンド・不純物準位間遷移 伝導帯 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
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)

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： 電卓持ち込み可
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