빛 침투 깊이-직접 갭 반도체와 간접 갭 반도체, 물질에 따른 빛 흡수 계수

 빛 침투 깊이-직접 갭 반도체와 간접 갭 반도체
빛의 광자 에너지(eV)

Eg보다 작은 에너지를 갖는 광자는 반도체에 의해 흡수되지 않고, Eg보다 큰 에너지를 갖는 광자는 흡수되지만 그 중 일부 광자는 흡수되기 전에 반도체 내에서 적지 않은 거리를 여행할 수 있음 
 빛의 세기(x)∝
α는 흡수 계수이고, 1/α는 빛의 침투 깊이  
태양전지는 거의 모든 광자들을 포획하기 위해서 빛의 침투 깊이보다 충분히 큰 두께를 가져야만 함. Si 태양전지가 Eg 이상의 에너지를 갖는 대부분의 광자를 흡수하기 위해서 50μm보다 두꺼워야 하고, GaAs 태양전지는 광자 에너지가 Eg를 초과할 때 그것의 흡수 계수가 가파르게 상승하기 때문에 단지 1μm의 두께만이 필요함.
Si와 Ge은 에너지 밴드 구조의 특성 때문에 낮은 흡수 계수를 가짐.

 

 

물질에 따른 빛 흡수 계수

 

 

광자 에너지의 함수인 빛 흡수 계수 . Si 와 Ge 은 간접 갭 반도체이다 . InAs, GaAs, GaN 은 직접 갭 반도체로 가파르게 상승하는 흡수 계수를 보여준다 .

 

 

 

직접 갭 반도체와 간접 갭 반도체
전자는 에너지 E와 파동 벡터 k 를 가지며, k 는 전자 파동의 방향과 파장을 묘사함(k =2π/전자 파장).
그림의 E-k 관계는 GaAs 결정에 대하여 양자역학의 슈뢰딩거 방정식(식 (1.5.3) 참조)을 푼 해
직접 갭 반도체(direct-gap semiconductor) : 전도 대역의 바닥과 가전자 대역의 꼭대기가 동일한 k 값에서 발생. InP와 GaN도 동일
k 보존(운동량 보존과 등가)이 만족되어 광자는 가전자 대역의 전자를 전도 대역으로 효율적으로 움직일 수 있어 흡수 계수가 큼

(a) 직접 갭 반도체와 (b) 간접 갭 반도체의 E - k 다이어그램

 

•Si과 Ge의 E-k 관계

•간접 갭 반도체(indirect-gap semiconductor) : 전도 대역의 바닥과 가전자 대역의 꼭대기가 동일하지 않은 k 값에서 발생. k 보존을 만족시키기 위해 포논의 도움이 필요하기 때문에 빛 흡수가 효율적이지 못함.

•모든 조건이 동일할 때 직접 갭 반도체가 태양전지 응용에 더 선호되는데, 그 이유는 직접 갭 반도체들은 매우 얇은 필름이면 충분하고 따라서 적은 양의 반도체 물질만을 필요로 하기 때문 : 단가 측면에서 긍정적인 의미

•실제 실리콘은 비싸지 않기 때문에 지금까지 가장 널리 보급된 태양전지 재료. 그럼에도 불구하고 저가의 무기물 혹은 유기물 반도체(organic semiconductor)를 찾기 위한 심도 있는 연구가 계속되고 있음.

•LED와 다이오드 레이저를 만들기에 적합한 유일한 재료가 직접 갭 반도체