Franz-Keldysh振動と半導体の光物性 | 電場によるバンド構造の変化

半導体におけるFranz-Keldysh振動は、電場がかかるとバンド端近くで「振動」のような現象が現れることを示します。この現象は、半導体の電子がどのように影響を受け、どのような直感的なメカニズムが関与しているのかを理解することが大切です。今回はその基礎的な理解を目指して、直感的に説明します。

1. Franz-Keldysh振動とは

Franz-Keldysh振動は、強い外部電場がかかることによって、半導体の電子のエネルギーが変化し、光吸収スペクトルに現れる振動のような特徴的なパターンです。この振動は、バンド端近くで特に顕著に見られます。

電場がかかると、エネルギーギャップが縮小し、通常のバンド構造が変化します。これによって、光吸収の特徴が振動するように見える現象が発生します。このような振動がFranz-Keldysh振動です。

外部電場がかかると、バンド構造が歪み、特にバンド端（バンドギャップ付近）でその変化が顕著になります。電子のエネルギー状態が変わることで、光吸収の特性も変化します。

直感的に言うと、電場によってエネルギー準位がシフトし、バンド端で電子の遷移が「振動」するように見えるのです。これがFranz-Keldysh振動です。エネルギーギャップの縮小がその原因となり、通常のバンド構造では見られない特異な吸収のピークを形成します。

「電子がしみ出す」とは、バンド端近くで電子がそのバンドの外に出てしまう現象を指します。電場がかかることで、電子はバンドギャップを越え、通常の状態では到達できないエネルギー準位に移動します。

これが「電子がしみ出す」という表現の意味です。電場の影響で、電子がバンド構造の中で自由に動くことができるようになり、それが電子の「しみ出し」につながるというわけです。

実際にFranz-Keldysh振動は、半導体の光物性の測定において観測され、特に強い電場を加えた状態でその特性を調べることができます。この振動を観察することで、半導体のバンド構造や電子の振る舞いについてより詳細な情報を得ることができます。

この現象は、半導体デバイスの設計や、光学的な特性を利用する際に非常に重要な役割を果たします。たとえば、光学的スイッチングデバイスや、より効率的なエネルギー変換を目指す技術に応用が期待されています。

Franz-Keldysh振動は、外部電場によってバンド構造が変化することで、光物性に特異な振動が現れる現象です。この振動はバンド端近くで特に顕著で、電子がバンドギャップを越えて「しみ出す」ような挙動が関与しています。この現象は半導体の特性を理解する上で重要であり、応用可能性も大きいです。