Anwendungen. Halbleitermaterialien. Integrierte Schaltkreise. Leistungselektronik. Halbleiterlaser. Sensoren und Aktoren
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- Nicolas Giese
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1 Halbleiterphysik
2 Anwendungen Integrierte Schaltkreise Leistungselektronik Halbleiterlaser LED-Lichtquellen Lichtquellen und Displays Sensoren und Aktoren Optische Netzwerkkomponenten: Modulatoren, Switches, Repeater CCD-Chips Solarzellen Halbleitermaterialien Si GaAs GaN
3 H lbl it B d t kt Halbleiter-Bandstrukturen fcc-struktur Silizium: Diamant/ZnS-Struktur Reziproker Raum ) ( 2, ) ( 2, ) ( a a a a a b a a a a a b a a a a a b = = = π π π,
4 Brillouinzone fcc Bandstruktur E(k)
5 Woher weiss man das alles: ARPES Angular resolved photo electron spectroscopy
6 Kristall aus Atomorbitalen Kristall als gestörtes freies Elektronengas
7 Phononische Bandstruktur von Si im Vergleich mit der elektronischen Bandstruktur
8 Woher weiss man das: inelastische Neutronenstreuung
9 Die Bandlücke, Innerer Photoeffekt Galliumarsenid
10 Halbleiter-Bandlücken Übersicht
11 Indirekte Bandlücke von Silizium Gunn-Effekt
12 Photolumineszenz von GaN: LO-Phononen replica -Peaks
13 Streuung Absorption und Emission: Allgemeine Struktur Übergangsrate P = < ψ i M ww ψ f > D i D f ψ i Wellenfunktion Ausgangszustand ψ f Wellenfunktion Endzustand M ww Wechselwirkungsungsoperator D(E) = Energie-Impulserhaltung, g, Gittersymmetrien -> P=0, verbotener Übergang Auswahlregeln Bandstruktur und Zustandsdichte Van-Hove-Singularität Auswahlregeln aufgrund der Symmetrie der angeregten Zustände Energie-und Quasiimpuls-Erhaltung Beispiel: Verbot von Dipolübergängen im direkten Halbleiter Cu 2 O
14 Elektronen und Löcher: Exzitonen Ungeladene Teilchen : Energietransport ohne Ladungstransport möglich (Entdeckung durch Y.A. Frenkel) Bosonen, Suche nach Bose-Einstein-Kondensation
15 Photolumineszenz in GaN: Exzitonen-Peaks Technische Bedeutung von Exzitonen: Technische Bedeutung von Exzitonen: LED-und Lasermaterialien GaN, ZnO, OLEDS
16 Freie Ladungsträger: Erzeugung von Ladungsträgern 1. Photoanregung Light absorption and photocurrent of In-doped CdS (vr indium concentration)
17 2. Thermische Anregung (Eigenleitung)
18 3. Defekte und Dotierung Defektkonzentrationen: Ge Detektoren für die Elementarteilchenphysik mittlerer Abstand zwischen zwei Störatomen: 4µm Defekte /cm 3 Atome /cm 3 Störatom-Konzentration Chemische Reinheit % %
19 Tolerable Fremdelement-Konzentrationen in Poly-Si-Solarzellen Solarzellen
20 Störstellenspektroskopie : Beispiel intersitial Oxygen Isotopieverschiebung
21 Farbzentrum : CinSi
22 p-n Dotierung von Silizium
23
24 Elektronischer Transport in Halbleitern Parabolische Näherung E F(n) E F(p)
25 Bewegung in einem Magnetfeld Ermittlung der effektiven Masse durch Zyklotronresonanz mv 2 /r = evb ω = v/ r m = eb/ω Cyclotron resonance in InMnAs-Based Ferromagnetic Semiconductor Heterostructures
26 Bewegung in einem elektrischen Feld mit Streuung: Ohm sche Leitfähigkeit Impulsrelaxation durch Intraband-Streuprozesse: Streurate τ Mittlere freie Weglänge: g τ v F Ungleichgewicht im Ferminiveau durch das elektrische Feld Zahl der beweglichen Ladungsträger Leitfähigkeit = Zahl der beweglichen Ladungsträger v F
27 Nachweis positiver Ladungsträger durch den Hall-Effekt Elektronen : F = (-e) v B Löcher : F = (+e)( v)b Löcherleitung -> falsches Vorzeichen der Hallspannung
28 Ladungsträgerdichte g und Plasmafrequenz ω p2 = 4π ne 2 /m; m = eb/ω c
29 Abweichung von der Parabolischen Näherung: Gunn-Effekt
30 Original experiment by J.B Gunn in IBM in 1963 a voltage pulse of 59V and 10ns duration results on a n-doped GaAs slab results in in this: (Continue) Oscillation frequency 4.5Ghz, equal to the transit time of electrons through the device
31 How did we obtain Microwave before: Klystron stanford 1. electron gun 2. bunching cavities 3. output cavity 4. waveguide 5. accelerator
32 Blochoszillationen Periodisches Potiential, Bandstuktur nach Kronig-Penney
33 Blochoszillationen in GaAs/GaAlAs-Mehrfachschichten
34 Grundlage für Halbleiter-Heterostrukturen Heterostrukturen Bandlücken und Gitteranpassung
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