Árbók VFÍ - 01.01.1989, Page 186

184 Árbók VFÍ 1988
gæddir nytsamlegum ljóseiginleikum, svo sem pólunarhrifum, ljósbrots- og speglunarhrifum.
Litlum sögum fer hins vegar af ljóseiginleikum málma á sýnilega sviðinu. Einangrarar ein-
kennast af orkugapi, en það er orkuþrep, sem lyfta þarf rafeindum kristalsins yfir til að þær geti
ferðast sem rafstraumur í gegnum efnið. Góðir einangrarar hafa of stórt orkugap til að þetta
takist, og er leiðni þeirra þvf lítil.
Hálfleiðarar hafa forsendur til að sameina leiðnieiginleika málma og ljóseiginleika ein-
angrara. Þeir hafa orkugap, sem kemur í veg fyrir leiðni við lág hitastig, en leiðninni má breyta
mörg stærðarþrep með því að bæta örlitlu magni snefilefna í hreinan kristal. íbót snefilefnanna
stjórnar leiðni hálfleiðara frá að vera hverfandi, eins og hjá einangrurum, til þess að vera
sambærileg við leiðni málma. Ljóseiginleikar hállleiðara eru nýttir í æ ríkari mæli í nýtækni.
Sem dæmi má nefna geisladiska og fjarskipti um ljósleiðara, en hvort tveggja byggir á
hálfleiðaraleysum.
Orkugapið er nátengt Ijóseiginleikum hálfleiðara og einangrara. Gegnsær kristall hefur þann-
ig nægilega stórt orkugap til að hleypa öllu sýnilegu Ijósi í gegn án þess að það gleypist í
kristalnum. Svartur kristall hefur hins vegar minna orkugap en svo, að sýnilegt ljós skíni
óhindrað gegnum hann. Rauður kristall gleypir gult, grænt og blátt ljós með ísogi, en hleypir
rauðu ljósi í gegn. Orkugapið er því svipað orku rauðs ljóss í þessu tilviki.
Kristallinn getur gefið frá sér ljós ef hann er örvaður þannig að rafeind sé lyft yfir orkugapið.
Ef örvunin er af völdum ljóss, sem beint er að kristalnum, nefnist hún Ijósörvun. Oftast er
notazt við leysiörvun með hærri orku en orkugapið. Ljómun kristals verður að hafa lægri orku
en orkugapið, ef kristallinn á ekki að gleypa eigin ljómun sína. Auk stærðar orkugaps fer orka
ljómunar mjög eftir orkustigum íbótar þeirrar, sem bætt var í kristalinn til að stjórna leiðni
hans. Orkustig þessi eru Iykilatriði í rannsóknum okkar á Ijóseiginleikum veilna í hállleiður-
um, en hvers kyns íbót, óviljandi aðskotaefni og misfellur í kristöllum nefnast einu nafni
veilur. Ljómun kristalsins er oftast afleiðing orkufærslu milli orkustiga veilna í örvuðum
kristal. Ljómunin er því mælistærð, sem einkennir íbótarveilur jafnt sem eiginveilur krist-
alsins. Samtímis er íbótin leið til að stjóma Ijómunarrófi hálfleiðara til hagnýtingar þeirra í
leysum og Ijósdíóðum.
3 Tilgangur rannsóknanna
Af ofan sögðu er ljóst, að veilur og veilusameindir í kristalgrind háltleiðara stjórna öllum
helztu eiginleikum efnanna, gera hagnýtingu mögulega en takmarka jafnframt notagildið. Frá
fræðilegu sjónarhorni eru eiginveilur kristallanna sjálfra oft áhugaverðastar, en til eiginveilna
má telja eyður í kristalgrind eftir atóm, sem færzt hel'ur úr sæti sínu, innskotsveilur, sem verða
til við það að atómiö sezt í milligrindarsæti auk ýmiss konar sameinda slíkra veilna. Dæmi um
hagnýtt gildi veilna af þessu tagi eru andsætuveilur í GaAs, InP og öðrum III-V hálfleiðurum,
þar sem bakjón er úr 3. dálki lotukerfisins en forjón úr 5. dálki. Andsætuveila nefnist það, er
forjón sezt í bakjónarsæti, til dæmis As f Ga sæti og P í In sæti. Bakjónir hafa hins vegar ekki
fundizt með vissu í forjónarsæti. Talið er að þessi gerð veilna valdi því að efnin geta orðið
hálfeinangrandi. Er það ein forsenda þess, að efnin nýtast jafn vel og raun ber vitni í rafeinda-
rásum, en þær eru oftast gerðar úr leiðandi þynnum á einangrandi kristal úr sama efni. Önnur
forsenda er hreyfanleiki rafeindanna, en orkustig eiginveilna trufla mjög leiðni rafeinda í III-V
hálfleiðurum. Auk þess hefur verið sýnt fram á að þessi sömu orkustig minnka ljómun
kristallanna með því að gera ljóslausar færslur mögulegar. Er þetta auðvitað afdrifaríkt fyrir
leysa úr þessum efnum.
Það er því afar mikilvægt að geta greint helztu eiginleika veilusameindanna, rafeindabygg-
ingu, atómbyggingu og samhverfu, til að skilja áhril' veilnanna á hálfleiðarann, sem hýsir þær.