直接带隙和间接带隙

在半导体物理学中，半导体的带隙可以有两种基本类型，直接带隙或间接带隙。 导带中的最小能态和价带中的xxx能态各自以布里渊区中的特定晶体动量（k 向量）为特征。 如果 k 向量不同，则材料具有间接间隙。 如果导带和价带中电子和空穴的晶体动量相同，则带隙称为直接带隙； 一个电子可以直接发射一个光子。 在间接间隙中，不能发射光子，因为电子必须通过中间态并将动量传递到晶格。

直接带隙材料的示例包括非晶硅和一些 III-V 材料，例如 InAs 和 GaAs。 间接带隙材料包括晶体硅和锗。 一些 III-V 族材料也具有间接带隙，例如 AlSb。

电子、空穴、声子、光子和其他粒子之间的相互作用需要满足能量守恒和晶体动量守恒（即总 k 向量守恒）。 能量接近半导体带隙的光子动量几乎为零。 一个重要的过程称为辐射复合，其中导带中的电子湮灭价带中的空穴，以光子的形式释放多余的能量。 如果电子具有接近导带最小值的 k 向量（空穴将共享相同的 k 向量），这在直接带隙半导体中是可能的，但在间接带隙半导体中是不可能的，因为光子不能携带晶体动量 ，因此晶体动量守恒将被违反。 对于在间接带隙材料中发生的辐射复合，该过程还必须涉及声子的吸收或发射，其中声子动量等于电子和空穴动量之间的差值。 相反，它也可能涉及晶体缺陷，其作用基本相同。 声子的参与使得这个过程在给定的时间跨度内发生的可能性xxx降低，这就是为什么间接带隙材料中的辐射复合比直接带隙材料中的辐射复合要慢得多。 这就是为什么发光二极管和激光二极管几乎总是由直接带隙材料制成，而不是像硅这样的间接带隙材料。

间接带隙材料中辐射复合缓慢的事实也意味着，在大多数情况下，辐射复合将只占总复合的一小部分，大多数复合是非辐射的，发生在点缺陷或晶界处。 然而，如果被激发的电子被阻止到达这些复合位置，它们别无选择，只能最终通过辐射复合回到价带。 这可以通过在材料中创建位错环来完成。 在环的边缘，位错盘上方和下方的平面被拉开，产生负压，这xxx提高了导带的能量，结果电子无法通过该边缘。 如果位错环正上方的区域没有缺陷（不可能发生非辐射复合），电子将通过辐射复合落回价层，从而发光。 这是 DELED（错位工程 LED）所基于的原理。

辐射复合的确切反面是光吸收。 出于与上述相同的原因，光子能量接近带隙的光在被间接带隙材料吸收之前比直接带隙材料可以穿透得更远（至少在光吸收是由于激发电子穿过 带隙）。

这个事实对于光伏（太阳能电池）非常重要。 晶体硅是最常见的太阳能电池基板材料，尽管它是间接间隙的，因此不能很好地吸收光。

因此，它们通常有数百微米厚； 更薄的晶圆将允许大部分光（特别是较长波长的光）简单地通过。 相比之下，薄膜太阳能电池由直接带隙材料（如非晶硅、CdTe、CIGS 或 CZTS）制成，它们在更薄的区域吸收光，因此可以用非常薄的活性层制成（ 通常小于 1 微米厚）。

间接带隙材料的吸收光谱通常比直接材料更依赖于温度，因为在低温下声子较少，因此不太可能同时吸收光子和声子以产生间接跃迁 。