Halbleiterphysik
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
H lbl it B d t kt Halbleiter-Bandstrukturen fcc-struktur Silizium: Diamant/ZnS-Struktur Reziproker Raum ) ( 2, ) ( 2, ) ( 2 3 2 1 2 1 3 1 3 2 3 2 1 3 2 a a a a a b a a a a a b a a a a a b 3 2 1 1 = = = π π π,
Brillouinzone fcc Bandstruktur E(k)
Woher weiss man das alles: ARPES Angular resolved photo electron spectroscopy
Kristall aus Atomorbitalen Kristall als gestörtes freies Elektronengas
Phononische Bandstruktur von Si im Vergleich mit der elektronischen Bandstruktur
Woher weiss man das: inelastische Neutronenstreuung
Die Bandlücke, Innerer Photoeffekt Galliumarsenid
Halbleiter-Bandlücken Übersicht
Indirekte Bandlücke von Silizium Gunn-Effekt
Photolumineszenz von GaN: LO-Phononen replica -Peaks
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
Elektronen und Löcher: Exzitonen Ungeladene Teilchen : Energietransport ohne Ladungstransport möglich (Entdeckung durch Y.A. Frenkel) Bosonen, Suche nach Bose-Einstein-Kondensation
Photolumineszenz in GaN: Exzitonen-Peaks Technische Bedeutung von Exzitonen: Technische Bedeutung von Exzitonen: LED-und Lasermaterialien GaN, ZnO, OLEDS
Freie Ladungsträger: Erzeugung von Ladungsträgern 1. Photoanregung Light absorption and photocurrent of In-doped CdS (vr indium concentration)
2. Thermische Anregung (Eigenleitung)
3. Defekte und Dotierung Defektkonzentrationen: Ge Detektoren für die Elementarteilchenphysik mittlerer Abstand zwischen zwei Störatomen: 4µm Defekte 4 10 10 /cm 3 Atome 4 10 22 /cm 3 Störatom-Konzentration 10-12 Chemische Reinheit 99.9999999999% 9999999999%
Tolerable Fremdelement-Konzentrationen in Poly-Si-Solarzellen Solarzellen
Störstellenspektroskopie : Beispiel intersitial Oxygen Isotopieverschiebung
Farbzentrum : CinSi
p-n Dotierung von Silizium
Elektronischer Transport in Halbleitern Parabolische Näherung E F(n) E F(p)
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
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
Nachweis positiver Ladungsträger durch den Hall-Effekt Elektronen : F = (-e) v B Löcher : F = (+e)( v)b Löcherleitung -> falsches Vorzeichen der Hallspannung
Ladungsträgerdichte g und Plasmafrequenz ω p2 = 4π ne 2 /m; m = eb/ω c
Abweichung von der Parabolischen Näherung: Gunn-Effekt
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
How did we obtain Microwave before: Klystron http://www.slac.stanford.edu/grp/kly/ stanford 1. electron gun 2. bunching cavities 3. output cavity 4. waveguide 5. accelerator
Blochoszillationen Periodisches Potiential, Bandstuktur nach Kronig-Penney
Blochoszillationen in GaAs/GaAlAs-Mehrfachschichten
Grundlage für Halbleiter-Heterostrukturen Heterostrukturen Bandlücken und Gitteranpassung