¿Qué significa la absorción de fotones mediada por fonones para excitar electrones de la banda de valencia a la banda de conducción?

La excitación de un electrón de la banda de valencia a la banda de conducción solo puede ocurrir si está involucrado otro fonón. Qué quiere decir esto.

Es la mecánica cuántica básica de los estados ligados. Los electrones en la banda de valencia están ligados tanto como un electrón en un nivel de energía en un átomo. Esto significa que se necesita un cuanto de energía para que el electrón se transfiera de la banda de valencia a la banda de conducción.

Esto se muestra en el gráfico anterior para el semiconductor.

Esta energía podría ser suministrada por un fotón, como con los átomos, pero dado que estos son estados de energía en una red, y las redes pueden tener vibraciones que están representadas por fonones que transportan cuantos de energía, el electrón puede ser impulsado por esta excitación colectiva, cuando cumple con el requisito de nivel de energía.

Sé que la energía del fonón es muy pequeña. Por pequeño que sea, ¿calienta/enfría el cristal?

Una vez que el electrón se transfiere a la banda de conducción, la energía de la red se ha transferido a la energía del electrón y, en este sentido, habrá un poquito menos de vibración de la transferencia de energía del fonón al electrón. Menos vibración significa que la red se enfría un poquito.

En un llamado semiconductor indirecto, la participación de un fonón en la absorción de fotones es esencial para la conservación del momento necesario para una transición de un electrón desde la parte superior de la banda de valencia a un mínimo de la banda de conducción que corresponde energéticamente a la energía de banda prohibida. En el espacio k de las relaciones de dispersión de electrones del vector de ondas de energía de un semiconductor indirecto, estos extremos se encuentran en diferentes posiciones, lo que significa que se debe suministrar un gran impulso al electrón para hacer una transición de banda prohibida. Los fotones que suministran la energía necesaria no pueden al mismo tiempo proporcionar el impulso necesario porque los impulsos de los fotones son comparativamente pequeños. Sin embargo, esta cantidad de movimiento puede ser suministrada por un fonón que tenga una energía pequeña y una cantidad de movimiento grande. Así es como la absorción de fotones de energía de banda prohibida es posible en semiconductores indirectos como el silicio y el germanio. En semiconductores directos, como GaAs y otros compuestos III-V, no es necesaria tal participación de fonones en la absorción de luz porque en el espacio k el mínimo de la banda de conducción se encuentra directamente por encima del máximo de la banda de valencia.