В полупроводниках основное различие между прямозонными и непрямозонными материалами определяется положением минимумов зоны проводимости и максимумов валентной зоны в пространстве квазиимпульсов (в k-пространстве).
Прямозонные полупроводники характеризуются тем, что минимум зоны проводимости и максимум валентной зоны располагаются при одном и том же значении волнового вектора k. Это означает, что при переходе электрона из валентной зоны в зону проводимости или обратно можно обойтись без изменения квазиимпульса. Такие переходы называются прямыми межзонными переходами.
Непрямозонные полупроводники имеют смещённые по k-пространству края зон: максимум валентной зоны и минимум зоны проводимости находятся при разных значениях k. В этом случае для осуществления межзонного перехода требуется участие дополнительного квазичастичного возбуждения — фонона, который обеспечивает закон сохранения импульса. Такие переходы называются непрямыми межзонными переходами.
Важнейшее следствие различия в зонной структуре заключается в вероятности оптических переходов.
В прямозонных полупроводниках вероятность оптической генерации электронно-дырочных пар высока, поскольку фотон взаимодействует напрямую с электронной системой, и законы сохранения энергии и импульса выполняются автоматически.
В непрямозонных полупроводниках вероятность оптических переходов существенно ниже, так как к процессу должен подключаться фонон. Это делает переходы менее вероятными и снижает эффективность поглощения света вблизи края запрещённой зоны.
Прямозонные и непрямозонные полупроводники резко различаются по спектральным характеристикам:
В прямозонных материалах (GaAs, InP, CdTe) коэффициент поглощения в области края запрещённой зоны очень велик. Поглощение начинается резким подъёмом при энергии фотонов, равной ширине запрещённой зоны. Благодаря этому такие материалы широко применяются в светоизлучающих диодах и лазерах.
В непрямозонных полупроводниках (Si, Ge) коэффициент поглощения при энергиях фотонов, близких к ширине запрещённой зоны, значительно меньше. Для эффективного поглощения требуется гораздо большая толщина материала, что ограничивает использование таких веществ в оптоэлектронных устройствах, но не препятствует применению в микроэлектронике.
Рекомбинация электронов и дырок играет ключевую роль в определении свойств полупроводника:
В прямозонных полупроводниках межзонная рекомбинация преимущественно излучательная: электрон, переходя в валентную зону, испускает фотон. Это обеспечивает высокую квантовую эффективность светодиодов и лазеров на основе таких материалов.
В непрямозонных полупроводниках межзонная рекомбинация требует участия фонона, поэтому вероятность излучательной рекомбинации мала. Основным каналом является безызлучательная рекомбинация, связанная с выделением энергии в виде колебаний кристаллической решётки. Именно поэтому кремний практически не используется в качестве активного материала светоизлучающих приборов.
Температура существенно влияет на вероятность переходов:
Прямозонные полупроводники применяются в оптоэлектронике:
Непрямозонные полупроводники применяются в:
Для наглядного понимания различий часто используют диаграммы зонной структуры: