Was bedeutet phononvermittelte Absorption eines Photons, um ein Elektron vom Valenzband zum Leitungsband anzuregen?

Die Anregung eines Elektrons vom Valenzband zum Leitungsband kann nur erfolgen, wenn ein anderes Phonon beteiligt ist. Was bedeutet das.

Es ist die grundlegende Quantenmechanik gebundener Zustände. Die Elektronen im Valenzband sind so stark wie ein Elektron in einem Energieniveau in einem Atom gebunden. Dies bedeutet, dass ein Elektron Energie benötigt, um aus dem Valenzband in das Leitungsband zu wechseln

Dies ist in der obigen Grafik für den Halbleiter dargestellt.

Diese Energie könnte wie bei Atomen von einem Photon geliefert werden, aber da dies Energiezustände in einem Gitter sind und Gitter Schwingungen haben können, die durch Phononen dargestellt werden, die Energiequanten tragen, kann das Elektron durch diese kollektive Anregung hochgeschleudert werden Es erfüllt die Anforderungen an das Energieniveau.

Ich weiß, dass die Phononenenergie sehr klein ist. Wie klein auch immer, heizt/kühlt es den Kristall?

Sobald das Elektron in das Leitungsband übertragen wurde, wurde Gitterenergie in Elektronenenergie übertragen, und in diesem Sinne wird es ein kleines bisschen weniger Schwingung von der Energieübertragung von Phonon zu Elektron geben. Weniger Vibration bedeutet eine minimale Abkühlung des Gitters.

In einem sogenannten indirekten Halbleiter ist die Beteiligung eines Phonons an der Photonenabsorption wesentlich für die Impulserhaltung, die für einen Übergang eines Elektrons von der Spitze des Valenzbands zu einem Minimum des Leitungsbands erforderlich ist, das dem energetisch entspricht Bandlückenenergie. Im k-Raum der Energie-Wellen-Vektor-Elektronendispersionsbeziehungen eines indirekten Halbleiters liegen diese Extrema an unterschiedlichen Positionen, was bedeutet, dass dem Elektron ein großer Impuls zugeführt werden muss, um einen Bandlückenübergang durchzuführen. Photonen, die die nötige Energie liefern, können nicht gleichzeitig den nötigen Impuls liefern, weil Photonenimpulse vergleichsweise klein sind. Dieser Impuls kann jedoch von einem Phonon geliefert werden, das eine kleine Energie und einen großen Impuls hat. Auf diese Weise ist die Photonenabsorption der Bandlückenenergie in indirekten Halbleitern wie Silizium und Germanium möglich. Bei direkten Halbleitern wie GaAs und anderen III-V-Verbindungen ist eine solche Phononenbeteiligung an der Lichtabsorption nicht notwendig, da im k-Raum das Minimum des Leitungsbandes direkt über dem Maximum des Valenzbandes liegt.