情報センシング第9回講義

7問 • 2年前

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発光の観点から、直接遷移型半導体と間接遷移型半導体の違いについて説明せよ。また、それぞれの代表的な半導体材料を一つ例示せよ。

直接遷移型半導体では伝導帯の底と価電子帯の頂上が同一の波数上に存在するため、伝導帯の底にいる自由電子は価電子帯の頂上にいる正孔と運動量のやりとりなしに再結合でき、その際のエネルギーは主に光として放出される。代表的な半導体材料にはガリウムヒ素(GaAs)がある。, 間接遷移型半導体では伝導帯の底と価電子帯の頂上が同じ波数上に存在せず、運動量のやりとりなしに自由電子と正孔は再結合することができないため、再結合のエネルギーは格子振動として放出されることが多く、光は放出されないか、生じても極めて弱い光となる。代表的な半導体材料にはシリコン(Si)がある。

直接遷移型半導体では(①)の底と(②)の頂上が同一の(③)上に存在する。そのため、(①)の底にいる(④)は(②)の頂上にいる(⑤)と(⑥)のやりとりなしに(⑦)でき、その際のエネルギーは主に(⑧)として放出される。代表的な直接遷移型半導体材料には(⑨)がある。一方、間接遷移型半導体では(①)の底と(②)の頂上が同じ(③)上に存在せず、(⑥)のやりとりなしに(④)と(⑤)は(⑦)することができない。そのため、(⑦)のエネルギーは(⑩)として放出されることが多く、(⑧)は放出されないか、生じても極めて弱い(⑧)となる。代表的な半導体材料には(⑪)がある。

伝導帯, 価電子帯, 波数, 自由電子, 正孔, 運動量, 再結合, 光, ガリウムヒ素(GaAs), 格子振動, シリコン(Si)

LEDは(①)型半導体の(②)接合に(③)バイアスを印加することで発光するデバイスである。(②)接合を用いていることから(④)ともよばれる。(②)接合に(③)バイアスを印加すると、主に(②)接合の(⑤)で(⑥)と(⑦)が(⑧)する。(⑧)の際、(⑥)はエネルギー状態の高い(⑨)から低い(⑩)に遷移し、そのエネルギー差を光として放出する。

直接遷移, pn, 順, 発光ダイオード, 接合部分, 自由電子, 正孔, 再結合, 伝導帯, 価電子帯

半導体のホモ接合、ヘテロ接合、ダブルヘテロ接合について簡潔に説明せよ。

ホモ接合とは同じバンドギャップを持つ同種の半導体の接合。ヘテロ接合とはバンドギャップが異なる異種の半導体の接合。また、ダブルヘテロ接合とはn型またはp型の半導体を、それらよりバンドギャップの大きなn型およびp型の半導体で挟んだ接合を指す。

ダブルヘテロ接合とは、n型またはp型の半導体を、それらより(①)の大きなn型およびp型の半導体で挟んだ接合を指す。ダブルヘテロ接合では、両側にある(①)の大きい半導体を(②)、真ん中に挟まれた(①)の小さい半導体を(③)とよぶ。ダブルヘテロ接合に(④)バイアスを印加した場合、(①)の違いによる(⑤)によって、(⑥)や(⑦)が(③)に閉じ込められるため、キャリアの(⑧)の確率が増して、高効率で高輝度な発光を得ることができる。

バンドギャップ, クラッド層, 活性層, 順, 障壁, 自由電子, 正孔, 再結合

バンドギャップのエネルギーEgが1.4[eV]のGaAsからの発光波長λを求めよ。

λ=1240/Eg≒886[nm]

LEDを用いて白色光を実現するための主要な三つの方法を示せ。

青色LED、緑色LED、赤色LEDからの発光を組み合わせることで、白色光をつくる方式。, 青色LEDからの発光と、その発光で励起させた蛍光体からの黄色発光を組み合わせることで白色光をつくる方式。, 青色よりも波長の短いLEDからの発光で、蛍光体を励起し、青色光、緑色光、赤色光を発光させて白色光をつくる方式。

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