반도체의 광흡수와 광전도 효과

빛과 물질의 상호작용으로는 흡수, 반사, 굴절, 편광 산란 등의 현상을 보이지만 근본적인 과정은 물질 내에 존재하는 캐리어와 전자파의 에너지 상호작용 이다.

저주파 전파에서부터 마이크로파, 적외선, 가시광선, 자외 선, X선에 이르는 광역 파장의 전자파는 그 에너지의 차이에 따라 결정 격자나 다양한 상태에 있는 입자의 전하와 상호작용하여 각 각 특유의 광 응답을 한다.

예를 들어 X선과 같은 단파장의 전자파는 전자 개개의 내각전자를 여기(起) 시킨다. 그리고 장파장의 마이크로파나, 원적외선은 이온화된 결정격자의 다이폴모멘트와 관련된 다양한 모드의 진동을 여기하거나 자유전자를 생성시킨다.

 

 

용어 정리 여기(勵起) 상태(Excited state): 원자 또는 분자가 외부에서 빛, 방사선 등으로부터 에너지를 흡수해 궤도 전자의 에너지 준위가 상승한 상태. 쌍극자 모멘트(Dipole moment): 쌍극자 사이의 세기와 거리를 곱한 것. 전기 쌍극자 모멘트의 방향은 음전하로부터 양전하로 향하는 벡터양으로 나타난다. 전기 쌍극자 모멘트를위한 SI 단위는 coulomb-meter (C⋅m)입니다. 그러나 원자 물리학 및 화학에서 일반적으로 사용되는 단위는 debye( 1×10−18 statcoulomb-centimeter 정의) 이다 유기 태양전지(Organic photo voltaics) : 탄소 기반의 전도성 광흡수 유기재료를 사용해 만든 태양전지. 광흡수층(Light absorbing layer) : 태양빛을 흡수해 얻은 빛 에너지로 전력을 생산하는 전극 사이의 층. 쌍극자 모멘트(Dipole moment) : 쌍극자 사이의 세기와 거리를 곱한 것. 전기 쌍극자 모멘트의 방향은 음전하로부터 양전하로 향하는 벡터양으로 나타난다. 전기 쌍극자 모멘트를위한 SI 단위는 coulomb-meter (C⋅m)입니다. 그러나 원자 물리학 및 화학에서 일반적으로 사용되는 단위는 debye( 1×10−18 statcoulomb-centimeter 정의) 이다

그런데 반도체의 광학적 성질을 결정하는 가장 중요한 파장은 적외광 ~ 가시광선 영역이다.

그 중 태양 방사 에너지 스펙트럼은 가시부 중심의 파장으로 해서 300 nm 부근의 근적외광에서부터 기껏해야 수 vm까지의 적외광 이다.  ( 포톤 에너지 hu로 환산하면 0.3 eV 정도에서부터 4 eV 정도) 

가시영역에서 가장 에너지 상호작용이 많은 캐리어는 실리콘(Si)-갈륨비소(GaAs) 반도체중  최외각 밴드의 자유전자와 정공이다.