:: wikimiki.org ::

Bandlücke

Bandlücke

Die Bandlücke eines Halbleiters bezeichnet den energetischen Abstand zwischen Valenzband und Leitungsband. Sie bestimmt im wesentlichen das optische Absorptionsverhalten. Bei Lichteinfall muss die Energie eines Photons größer als die Bandlücke sein, damit es vom Halbleiter durch Erzeugung eines Elektron-Loch-Paares absorbiert werden kann. Die Krümmung der Energiekurve wird bestimmt durch effektive Masse m
- :effektive Masse Allgemein als Tensor: :

\frac\equiv\frac\frac

Spezialfall: :

\frac\equiv\frac\frac

Man unterscheidet zwei Fälle von Bandlücken.

Direkte Bandlücke

effektive Masse Das Minimum des Leitungsbandes liegt im

E(k)

-Diagramm direkt über dem Maximum des Valenzbandes. Bei einem direkten Übergang von Valenzband zu Leitungsband liegt der kleinste Abstand zwischen den Bändern direkt über dem Maximum des Valenzbandes. Anwendungsbeispiele: Leuchtdiode

Indirekte Bandlücke

Das Minimum ist gegenüber dem Maximum auf der

k

-Achse verschoben. Bei einem direkten Übergang von Valenzband zu Leitungsband liegt der kleinste Abstand zwischen den Bändern direkt über dem maximum des Valenzbandes. Bei einem indirekten Übergang liegt er versetzt. Die Absorption eines Photons ist nur bei einer direkten Bandlücke effektiv möglich, bei einer indirekten Bandlücke muss in der Regel ein passendes Phonon beteiligt sein, dieser Prozess ist wesentlich unwahrscheinlicher, das Material zeigt dort eine schwächere Absorption. Die Bandlückenenergie einiger Materialien bei Raumtemperatur: Siehe auch: Bänderdiagramm, Leuchtdiode, Quasiimpuls Kategorie:Festkörperphysik Kategorie:Spektroskopie ja:バンドギャップ

Halbleiter

Unter einem Halbleiter versteht man einen Festkörper, dessen elektrische Leitfähigkeit stark temperaturabhängig ist und der von daher je nach Temperatur sowohl als Leiter als auch als Nichtleiter betrachtet werden kann. Die Leitfähigkeit eines Halbleiters nimmt mit steigender Temperatur zu, womit diese auch als Heißleiter bezeichnet werden. Die Leitfähigkeit lässt sich ferner durch das Einbringen von Fremdatomen aus einer anderen Hauptgruppe, das sogenannte Dotieren, in weiten Grenzen steuern. Bedeutung für die Mikroelektronik erlangen Halbleiter aber insbesondere dadurch, dass ihre Leitfähigkeit auch durch Anlegen einer Steuerspannung oder eines Steuerstroms (wie z. B. beim Transistor) verändert werden kann.

Geschichte

Stephen Gray entdeckte 1727 den Unterschied zwischen Leiter und Nichtleiter. Nachdem Georg Simon Ohm 1821 das Ohmsche Gesetz aufstellte, womit die Proportionalität zwischen Strom und Spannung in einem elektrischen Leiter beschrieben wird, konnte auch die Leitfähigkeit eines Gegenstandes bestimmt werden. Der Nobelpreisträger Ferdinand Braun entdeckte den Gleichrichtereffekt der Halbleiter 1874. Er schrieb: „... bei einer großen Anzahl natürlicher und künstlicher Schwefelmetalle ... der Widerstand derselben verschieden war mit Richtung, Intensität und Dauer des Stroms. Die Unterschiede betragen bis zu 30 % des ganzen Wertes.“ und beschrieb damit erstmals, dass der Ohmsche Widerstand veränderlich sein kann. Mit Walter Schottky begann 1939 die Zeit der technischen Anwendung der Halbleiter als Gleichrichter. Die von ihm erfundene Schottky-Diode war eine dünne Metalldrahtspitze, die auf ein n-leitendes Germaniumplättchen gesteckt wurde. Dadurch entstand eine p-leitende Zone im Germanium und damit war die Diode erfunden. Als 1947 in den Bell Laboratories die Wissenschaftler John Bardeen, William Bradford Shockley und Walter Houser Brattain zwei Metalldrahtspitzen auf das Germaniumplättchen steckten und somit die p-leitende Zone mit der zweiten Drahtspitze mit einer elektrischen Spannung steuern konnten, war der Transistor erfunden. Dies brachte ihnen den Physik-Nobelpreis von 1956 ein und begründete die Mikroelektronik. Alan Heeger, Alan MacDiarmid und Hideki Shirakawa zeigten 1976, dass bei einer Dotierung von Polyacetylen mit Oxidationsmitteln die elektrische Leitfähigkeit auf bis zu 10^-5 Ω·m (Silber: ~10^-8 Ω·m) steigen kann. Im Jahr 2000 erhielten sie dafür den Chemienobelpreis.

Verschiedene Halbleiter

In der Mikroelektronik verwendete Halbleiter lassen sich in zwei Gruppen einordnen, den Elementhalbleitern und den Verbindungshalbleitern. Zu den Elementhalbleitern zählen Elemente mit vier Valenzelektronen, beispielsweise Silizium (Si) und Germanium (Ge). Die Gruppe der Verbindungshalbleiter umfasst Chemische Verbindungen, die im Mittel vier Valenzelektronen besitzen. Dazu zählen Elemente der III. und V. Hauptgruppe des Periodensystems (III-V-Halbleiter), wie Galliumarsenid (GaAs) oder Indiumantimonid (InSb), und der II. und VI. Hauptgruppe (II-VI-Halbleiter), wie Zinkselenid (ZnSe) oder Cadmiumsulfid (CdS). Neben diesen häufig eingesetzten Halbleitern gibt es noch die I-VII-Halbleiter, wie Kupfer(II)-chlorid. Auch Materialien, die im Durchschnitt nicht vier Valenzelektronen haben, können als Halbleiter bezeichnet werden, wenn sie einen spezifischen Widerstand im Bereich von größer 10^-4 Ω·m und kleiner 10⁶ Ω·m haben. Eine Gruppe vielversprechender neuer Halbleiter sind beispielsweise die Organischen Halbleiter (s. a.: :en:Organic semiconductor), die in Organischen Solarzellen oder in Organischen Feldeffekttransistoren bereits Verwendung gefunden haben.

Chemische Einteilung

Semimagnetische Halbleiter

Semimagnetische Halbleiter gehören zur wichtigen Gruppe der Verbindungshalbleiter oder Compound Semiconductor. Es handelt sich um Verbindungen bei denen ein Ion durch z. B. Mangan (Mangan ist magnetisch) ersetzt wurde. Eine charakteristische Eigenschaft dieser semimagnetischen Halbleiter ist die große Zeeman-Aufspaltung. Eigentlich nennt man semimagnetische Halbleiter diluted magnetic semiconductors, da sie magnetisch verdünnt sind.

Organische Halbleiter

Ein Organischer Halbleiter wie das Polyacetylen besteht aus einer langen Kette von Kohlenstoff-Atomen und Wasserstoff-Atomen, wobei die Kohlenstoff-Atome abwechselnd mit einer Doppelbindung und eine Einfachbindung (...C=C-C=C-C...) verbunden sind. Wird diesem Kunststoff noch ein Donator, wie etwa Chlor, Brom oder Iod angefügt (Oxidative Dotierung), liegen zusätzliche Elektronen vor. Durch das Hinzufügen eines Atomes wie etwa Natrium (Reduktive Dotierung) erhält der Kunststoff einen Akzeptor. Durch diese chemische Änderung brechen die Doppelbindung auf und es entsteht ein durchgehendes Leitungsband: das ursprünglich nichtleitende Polymer wird elektrisch leitend. Wenn der Kunststoff in Form einer Dünnen Schicht, etwa 1 µm dick, erzeugt wird, ist er geordnet genug um eine elektrisch ununterbrochene Schicht zu bilden.

Eigenschaft

Dünnen Schicht Die grundlegenden Eigenschaften von Halbleitern lassen sich anhand des Bändermodells erklären: Die Elektronen in Festkörpern wechselwirken über sehr viele Atomabstände hinweg miteinander. Dies führt faktisch zu einer Aufweitung der (im Einzelatom noch als diskrete Niveaus vorliegenden) möglichen Energiewerte zu ausgedehnten Energiebereichen, den so genannten Energiebändern. Zwischen den Bändern bestehen Energiebereiche, in der nach der Quantenmechanik keine erlaubten Zustände existieren, die Energie- oder Bandlücke. Solche Lücken können die Elektronen nicht besetzen. Unbesetzte Bänder können mangels beweglicher Ladungsträger keinen elektrischen Strom leiten. In voll besetzten Bändern weisen die Ladungsträger ebenfalls keine Beweglichkeit auf, da sie mangels erreichbarer freier Zustände keine Energie aufnehmen können. Nur in teilbesetzten Bändern treten Elektronen mit einer hohen Beweglichkeit auf, wie es bei Metallen bei jeder Temperatur der Fall ist. Aufgrund ihrer Kristallstruktur ist bei Halbleitern nahe des absoluten Nullpunktes der Temperaturskala das oberste Energieband (Valenzband) voll besetzt, das nächsthöhere Band (Leitungsband) hingegen leer. Das Ferminiveau liegt also genau in der Bandlücke; die elektrische Leitfähigkeit ist null (wie bei einem Isolator). Die Bandlücke ist bei Halbleitern im Gegensatz zu Isolatoren jedoch relativ klein (InAs: ~0,4 eV, Ge: ~0,7 eV, Si: ~1,2 eV, GaAs: ~1,5 eV, Diamant: ~5,5 eV), so dass z. B. durch die Energie der Wärmeschwingungen bei Raumtemperatur oder durch Absorption von Licht Elektronen vom vollbesetzten Valenzband ins Leitungsband angeregt werden können. Halbleiter haben also eine intrinsische mit der Temperatur zunehmende elektrische Leitfähigkeit, bzw. einen mit der Temperatur abnehmenden elektrischen Widerstand. Deshalb nennt man Halbleiter auch Heißleiter oder NTC-Widerstände. Der Unterschied gegenüber den Metallen besteht darin, dass bei diesen das Valenzband entweder nicht voll besetzt ist und/oder sich gar Valenzband und Leitungsband überlappen. Wird, wie oben beschrieben, ein Elektron in einem Halbleiter aus dem Valenzband in das Leitungsband angeregt, so hinterlässt es an seiner ursprünglichen Stelle ein Defektelektron, auch „Loch“ genannt. Gebundene Valenzelektronen in der Nachbarschaft solcher Löcher können durch Platzwechsel in ein Loch „springen“, hierbei wandert das Loch. Es kann daher als bewegliche positive Ladung aufgefasst werden. Elektronen aus dem Leitungsband können mit den Defektelektronen rekombinieren (Elektron-Loch-Rekombination). Dieser Übergang zwischen den beteiligten Niveaus kann unter Abgabe von elektromagnetischer Rekombinationsstrahlung (Photon) und/oder unter der Abgabe eines Impulses an das Kristallgitter (Phonon) erfolgen. Sowohl die angeregten Elektronen, als auch die Defektelektronen tragen also zur elektrischen Leitung bei.

Direkte und Indirekte Halbleiter

Phonon Man teilt Halbleiter in zwei Gruppen ein, die direkten und die indirekten Halbleiter. Ihre unterschiedlichen Eigenschaften lassen sich nur durch die Betrachtung der Bandstruktur im sogenannten Impulsraum verstehen: Freie Ladungsträger im Halbleiter lassen sich als Materiewellen mit einem Quasi-Impuls auffassen, das heißt die Ladungsträger werden neben ihrem Energieniveau im Bänderschema auch durch ihre „Geschwindigkeit“ (Impuls = Masse
- Geschwindigkeit) charakterisiert. Betrachtet man nun das Bändermodell im Impulsraum, so stellt man fest, dass Leitungs- und Valenzbandkante nicht für jeden Impuls gleich ist, sondern dass beide Bandkanten mindestens ein Extremum aufweisen. Wenn nun ein Elektron aus dem Valenzband ins Leitungsband angeregt wird, so ist es am energetisch günstigsten (und somit am wahrscheinlichsten), wenn es vom Maximum des Valenzbandes zum Minimum des Leitungsbandes angeregt wird. Liegen diese Extrema nun (nahezu) beim gleichen Quasiimpuls, so ist eine Anregung z. B. durch ein Photon ohne Weiteres möglich, da das Elektron lediglich seine Energie, nicht aber seinen Impuls ändern muss. Man spricht von einem direkten Halbleiter. Liegen die Extrema jedoch bei unterschiedlichen Quasiimpulsen, so muss das Elektron zusätzlich zu seiner Energie auch seinen Impuls ändern, um ins Leitungsband angeregt zu werden. Dieser Impuls kann nicht von einem Photon (welches einen sehr kleinen Impuls hat) stammen, sondern muss von einer Gitterschwingung (auch Phonon) beigesteuert werden. Bei der Rekombination von Elektronen-Loch-Paaren gilt im Prinzip dasselbe. In einem direkten Halbleiter kann bei der Rekombination ein Lichtquant ausgesandt werden. Bei einem indirekten Halbleiter hingegen wird die bei der Rekombination freiwerdende Energie als Gitterschwingung abgegeben. Hieraus folgt, dass nur direkte Halbleiter zur effektiven Strahlungserzeugung verwendet werden können. Direkte und Indirekte Halbleiter kann man mittels Absorptionsversuch voneinander unterscheiden. In der Regel sind Elementhalbleiter (Si, Ge) und Verbindungshalbleiter aus der IV. Hauptgruppe indirekt, und Verbindungshalbleiter aus verschiedenen Hauptgruppen (III/V: GaAs, InP, GaN) direkt.

Eigenhalbleiter und Störstellenhalbleiter

Die Dichte freier Elektronen und Löcher in reinen, d. h. undotierten Halbleitern nennt man intrinsische Ladungsträgerdichte oder Eigenleitungsdichte – ein Eigenhalbleiter wird deshalb auch intrinsischer Halbleiter genannt. Wird dagegen die Konzentration der Elektronen im Leitungsband überwiegend durch den Dotierstoff bestimmt, spricht man von einem Störstellenhalbleiter oder extrinsischen Halbleiter.

Halbleitertechnik

Die Halbleitertechnik befasst sich mit der technischen Herstellung mikroelektronischer Bauelemente und Baugruppen. Voraussetzung ist die Kenntnis wie der Halbleiter bearbeitet werden muss, um das gewünschte elektrische Verhalten zu zeigen. Dazu gehört das Dotieren des Halbleiters und das Gestalten der Grenzfläche zwischen Halbleiter und einem weiteren Material.

Dotierung und Störstellenleitung

Durch gezielte Verunreinigung eines Halbleiters mit Fremdatomen, das so genannte Dotieren, kann ein Überschuss oder Mangel von Elektronen gezielt herbeigeführt werden: Werden Fremdatome, die ein Elektron mehr im Valenzband haben als der reine Halbleiter, in einen Halbleiter eingebracht, so bringt jedes dieser Fremdatome ein Elektron mit, das nicht für die Bindung benötigt wird und leicht abgelöst werden kann. Im Bänderschema liegt ein solches Elektron nahe unter der Leitungsbandkante. Ein Fremdatom, das ein Elektron abgibt, wird Donator (lat. donare = geben) genannt. Analog bringen Fremdatome, die ein Elektron weniger im Valenzband haben, ein zusätzliches Defektelektron (Loch) mit, welches leicht von Valenzbandelektronen besetzt werden kann. Im Bänderschema liegt ein solches Loch nahe über der Valenzbandkante. Ein Fremdatom, welches ein Loch „abgibt“, also ein Elektron aufnimmt, wird Akzeptor (lat. accipere = annehmen) genannt. Bei Dotierung mit Donatoren sorgen vorwiegend die Elektronen im Leitungsband, bei Dotierung mit Akzeptoren die gedachten, positiv geladenen Löcher im Valenzband für elektrische Leitfähigkeit. Im ersten Fall spricht man von Elektronenleitung oder n-Leitung, im anderen Fall von Löcherleitung oder p-Leitung. Halbleiterbereiche mit Elektronenüberschuss bezeichnet man als n-dotiert, solche mit Mangel, also mit „Löcherüberschuss“ als p-dotiert. Wurde die Temperatur so weit erhöht, dass alle Dotieratome ionisiert sind, d. h. zur Leitung beitragen, spricht man von Störstellenerschöpfung. Die Eigenleittemperatur stellt den Übergang zwischen der Störstellenerschöpfung zur Eigenleitung des Halbleiters dar. Im n-Leiter werden die Elektronen als Majoritätsträger (mehrheitlich vorhandene Ladungsträger), die Löcher als Minoritätsträger bezeichnet, im p-Leiter gilt die entsprechende Umkehrung. Durch geschickte Kombination von n- und p-dotierten Bereichen (siehe p-n-Übergang) kann man einzelne, so genannte diskrete, Halbleiterbauelemente wie Dioden und Transistoren und komplexe, aus vielen Bauelementen in einem einzigen Kristall aufgebaute integrierte Schaltungen oder Mikrochips aufbauen. Übliche Dotiergrade Normale Dotierung: n: 1 Donator auf 10⁷ Si-Atome p: 1 Akzeptor auf 10⁶ Si-Atome Starke Dotierung: n: 1 Donator auf 10⁴ Si-Atome (n+) p: 1 Akzeptor auf 10⁴ Si-Atome (p+) Zweck der Dotierung Bereits bei sehr geringer Energiezufuhr (Temperatur > 0 K) löst sich ein freies Elektron aus dem Bindungsverband (da nur schwach an den Kern gebunden), was Voraussetzung für elektrischen Stromfluss ist. Bei chemisch reinen, sprich undotierten Halbleitern ist wesentlich größere Energie notwendig, spürbarer Leitungsmechanismus setzt erst bei hoher Temperatur ein und ist viel stärker temperaturabhängig.

Grenzflächen

Durch die Kombination eines p-dotierten und eines n-dotierten Halbleiters entsteht an der Grenzfläche ein p-n-Übergang. Die Kombination eines dotierten Halbleiters mit einem Metall oder einem Nichtleiter ist ebenfalls von Interesse und wenn zwei Halbleiter, beispielsweise Galliumarsenid und Aluminiumgalliumarsenid, übereinander liegen, dann entsteht ein Hetero-Übergang. Dabei sind nicht nur p-n-Übergänge von Bedeutung, sondern ebenfalls p-p-Übergänge und n-n-Übergänge, den sogenannten isotypen Hetero-Übergängen, die beispielsweise in einem Quantentopf verwendet werden. In jüngster Zeit gibt es Anstrengungen Halbleiter und Supraleiter und Silizium- und III-V-Halbleiter auf einem Chip zusammen zuführen. Da die Kristallstrukturen nicht kompatibel sind, entstehen in der Grenzfläche Brüche und Gitterfehler wenn es nicht gelingt geeignete Materialien für eine wenige Atomlagen dicke Zwischenschicht zu finden.

Wirtschaft

Die Hauptproduzenten von Silizium (etwa 10.000 Tonnen) sind Hemlock Semiconductor und MEMC Electronic Materials aus den USA, Renewable Energy Corporation AS (REC) aus Norwegen, Tokuyama aus Japan und die Siltronic AG aus Deutschland. (Stand 2005). Der weltweit größte Hersteller von Wafer ist das japanische Unternehmen Shin-Etsu Handotai (SEH) mit einem Umsatz von 2,2 Milliarden Dollar im Jahr 2004. Der weltweit zweitgrößte japanische Hersteller Sumitomo Mitsubishin Silicon Corp. (Sumco) hatte im gleichen Jahr einen Umsatz von 1,6 Milliarden Dollar. Dem folgen das amerikanische Unternehmen MEMC Electronic Materials und die deutsche Siltronic AG mit 1 Milliarde Dollar und 900 Millionen Dollar. Diese vier Unternehmen teilen sich etwa 75 % des gesamten Wafermarktes von 7,3 Milliarden Dollar.

Siehe auch

- :Kategorie:Elektronik
- :Kategorie:Elektrische Bauelemente

Literatur

- Peter Y. Yu, Manuel Cardona, Fundamentals of Semiconductors : Physics and Materials Properties, Springer 2004, 3 Auflage, ISBN 3540413235
- Simon M. Sze, Physics of Semiconductor Devices. John Wiley and Sons (WIE) 1981, 2. Auflage, ISBN 0471056618
- Michael Reisch, Halbleiter-Bauelemente, Springer 2004, ISBN 3540213848
- Ulrich Tietze, Christoph Schenk, Eberhard Gamm, Halbleiter-Schaltungstechnik, Springer 2002, 12. Auflage, ISBN 3540428496
- Ulrich Hilleringmann, Silizium-Halbleitertechnologie, Teubner 2004, ISBN 3519301490

Weblinks

- http://www.et.htwk-leipzig.de/kontakte/Fechner/projekte/physik/leitung/halbleit.htm
- [http://www.physik.uni-muenchen.de/leifiphysik/web_ph10/materialseiten/m15_halbleiter.htm Versuche und Aufgaben zu Halbleitern] Kategorie:Festkörperphysik ja:半導体 ko:반도체 th:สารกึ่งตัวนำ

Valenzband

Bei dem Valenzband handelt es sich um einen Teil eines wissenschaftlichen Modells, des so genannten Bändermodells, um die Funktionsweise von elektrischen Leitern, speziell die der Halbleiter zu beschreiben. Das Valenzband ist dabei der höchste Energiezustand, den am absoluten Nullpunkt Elektronen annehmen können. Ist das Valenzband vollständig mit Elektronen besetzt, können sie sich nicht zwischen den Atomen frei bewegen, d.h. das Material ist nicht elektrisch leitfähig und ein Isolator. Wird einem Halbleiter eine gewisse Energie in Form von Temperatur oder durch Anlegen einer elektrischen Spannung zugeführt, so gelangen Valenzelektronen über die Bandlücke in das Leitungsband und das Material wird leitfähig. Diesen stark mit der Temperatur zunehmenden Effekt bezeichnet man als Eigenleitung. Im Gegensatz dazu steht die Störstellenleitung, die durch das Einbringen von Fremdatomen (Dotierung) in den Halbleiter erzeugt werden kann. Kategorie:Festkörperphysik ko:원자가띠

Absorption (Physik)

Der Begriff Absorption (lat.: absorptio bzw. absorbere = ab-, (auf-)saugen) bezeichnet im Allgemeinen das Aufsaugen, das In-sich-Aufnehmen von etwas. Im folgenden sollen die physikalischen Bedeutungen des Begriffs Absorption erläutert werden. In der Physik ist die Energie-Absorption mit Dissipation in einem Körper verbunden und ist damit von einem Energiedurchgang zu unterscheiden.

Allgemein

Ganz allgemein kann Absorption durch eine Absorptionsrate oder Absorptionsgrad beschrieben werden. Egal ob es sich um Schallwellen, Photonen oder Teilchen handelt, lassen sich diese von der Struktur gleich behandeln.

Absorption von Strömen

Bei Absorption von Strömen in einem dicken absorbierenden Material wird pro Schicht ein bestimmter Bruchteil des Stromes absorbiert. Der Strom I, der hinter dieser Schichtdicke d noch verfügbar ist, ermittelt sich mit: :

I(d) = I_0 k

wobei k ein Bruchteil des transmittierten Stromes ist. Damit ergibt sich das allgemeine Lambert-Beersche Gesetz: :

I(d) = I_0 \exp (-\alpha d)

wobei

\alpha

der Abschwächungskoeffizient ist (aus dem reziproken Abschwächungskoeffizient lässt sich die Halbswertsdicke ermitteln, die angibt, nach welcher Tiefe nur noch die Hälfte des Stromes vorhanden ist). Der Abschwächungskoeffizient hängt von den Eigenschaften des absorbierenden Materials ab und in der Regel von der Energie des Stromes.

Absorption von Teilchen

Wenn es sich um ein Teilchenstrom handelt, lässt sich die Absorption zunächst ähnlich beschreiben, wie die Absorption von Strömen. Handelt es sich aber um ein geschlossenes System mit einer Flüssigkeit und einem Gas, so 'strömen' zunächst die Teilchen in die Flüssigkeit, bis die Löslichkeit des Gases in der Flüssigkeit erreicht ist. Dabei handelt es sich dann um ein dynamisches Gleichgewicht, d.h. der Teilchenstrom in die Flüssigkeit ist genauso groß wie der Teilchenstrom in die Gasphase. Die Absorptionsrate

\dot N

hängt hier hauptsächlich von der Menge eingelagerten Gases

N_

in der Flüssigkeit ab: :

\dot N \approx \frac

wobei L die Löslichkeit ist (hier als absolute Menge).

Akustik

Einfallende Schallwellen, die auf Oberflächen treffen, die aus absorptiven Material sind, werden nur geringe oder keine reflektierte Schallenergie zur Folge haben. Die absorbierte Schallenergie führt zu einer Erhöhung der Gitterenergie des absorbierenden Materials. Lautheit und Halligkeit werden reduziert, aber eine starke Behandlung nur mit Absoptionsmaterial macht den Raumklang dröhnend und unklar. Übermäßige Anwendung von Absorption erzeugt einen Mangel an reflektierenden Oberflächen, der zu einem Verlust der Obertöne führt und damit die natürliche Helligkeit des Klangs beseitigt. Nur die Ausgeglichenheit zwischen Absorption (Schalldämpfung) und Diffusität (Schallzerstreuung) kann der Schlüssel zu einer optimierten Raumakustik sein. Die Messung der Absorption an Planwaren, bzw. Bauteilen erfolgt in der Praxis in einer sogenannten Alphakabine. Das Wort Diffusion ist die falsche wörtliche Übersetzung des englischen Wortes Diffusion, was richtig Diffusität heißen muss. Diffusion gibt es bei uns nicht.

Siehe auch

- Reflexion | Diffusität | Absorptionsgrad |

Optik

In der Optik wird von Absorption gesprochen, wenn ein Teil des Lichtspektrums gefiltert wird. Wird beispielsweise eine gelbe Oberfläche mit (weißem) Tageslicht bestrahlt, so wird nur ein Teil des Lichtes reflektiert (bzw. bei transparenten Materialen transmittiert) und ein Teil absorbiert - man spricht auch von Remission. Dabei handelt es sich im Beispiel um den Spektralbereich der Lichtfarben (additive Farbmischung), der nicht im gelben Farbanteil enthalten ist. Dieser Effekt wird u. a. für Farbfilter ausgenutzt. Photonen bestimmter Energie regen dabei Atome oder Moleküle an, die ein Niveauunterschied mit genau dieser Energie in der Elektonenhülle besitzen. Die Menge der absorbierten Photonen hängt dabei nach dem Lambert-Beerschen Gesetz von der Schichtdicke des Materials ab. Die Absorption kann auch direkt aus der Dielektrizitätskonstante bzw. dem Brechungsindex über die Kramers-Krönig-Relation abgeleitet werden. Damit wird die elektromagnetische Wechselwirkung direkt mit einer Materialeigenschaft in Beziehung gesetzt. Siehe auch:
- Absorptionsbande
- Absorptionswerte chemischer Substanzen

Radioaktivität

Die Absorption von Gammastrahlung in Materie erfolgt durch verschiedene Mechanismen (siehe Radioaktivität) und kann durch das allgemeine Lambert-Beersches-Gesetz beschrieben werden. Der Abschwächungskoeffizient wird durch die Halbwertsdicke gekennzeichnet, die neben der Art der Strahlung wesentlich von der Energie und dem Absorber abhängt.

Fernerkundung

In der Fernerkundung bezieht sich der Ausdruck auf das Aufnehmen von elektromagnetischer Energie durch Material der Atmosphäre oder der Oberfläche. So kann vorübergehend Energie gebündelt werden. Variation der Absorptionszusammenhänge/-muster hilft, zwischen verschiedenen Materialien zu unterscheiden. Absorption ist also im Normalfall selektiv. Der Quotient aus absorbierter und gesamter, ausfallender Strahlungsenergie wird als Absorptionskoeffizient bezeichnet. Vom Verhältnis der absorbierten zu den reflektierten Wellenlängen wird das bestimmt, was unser Auge als Farbe eines Körpers empfindet. Ein Gegenstand, der alle auftreffende Strahlung absorbiert, wird als Schwarzer Körper bezeichnet. Die Absorption wirkt sich beim Passieren der Strahlen eines Körpers dadurch aus, dass im Energiespektrum der auftreffenden Strahlung, einige Spektralbereiche sehr stark geschwächt sind oder ganz ausfallen Absorptionsbanden. In der Atmosphäre werden solche Banden verursacht vom Ozon, Kohlendioxyd und vom Wasserdampf.

Absorption von Gasen

Als Absorption von Gasen bezeichnet man das Eindringen von Gasen oder Gasgemischen in eine Flüssigkeit oder einen festen Stoff. Dieser wird Absorptionsmittel (oder Absorbens), das aufgenommene Gas wird Absorbat genannt. Das Gas wird bei gegebener Temperatur im Absorptionsmittel gelöst, wobei Wärme (Absorptionswärme oder Lösungswärme) entsteht. Wenn bei der Lösung der Gase auch chemische Reaktionen stattfinden, so wird der Gleichgewichtszustand durch das Massenwirkungsgesetz bestimmt. Finden bei der Lösung der Gase keine chemischen Reaktionen statt, so gilt für Flüssigkeiten bei niedrigem Druck näherungsweise das Henrysche Gesetz: Bei gegebener Temperatur ist die Konzentration c eines Gases proportional seinem Druck p über der Flüssigkeit ist: c = k
- p; hierbei ist k der Absorptionskoeffizient, der von der Temperatur und den beteiligten Stoffen abhängt. Sind mehrere Gase an der Absorption beteiligt, so werden sie unabhängig voneinander gemäß ihrem jeweiligen Partialdruck p_x in der Gasphase gelöst: c_x = k_x
- p_x (Henry-Daltonscher Verteilungssatz). Sind bei einem Gas mehrere nicht mischbare Flüssigkeiten als Absorptionsmittel beteiligt, so ist das Verhältnis der Konzentrationen unabhängig von der Menge des gelösten Stoffes und der Flüssigkeiten und hängt nur von der Temperatur und den Stoffen ab (Nernstscher Verteilungssatz). Die Absorption von Gasen in Flüssigkeiten wird in der Kältetechnik für Absorptionskühlgeräte verwendet.

Absorption von Schwebstoffen

Bei der Absorption von Schwebstoffen oder Gasen durch einen Filter werden aus einem Luftstrom die jeweiligen Schwebstoffe von einem feinmaschigen Netz. Werden diese durch eine reaktive Oberfläche (Aktivkohle) fest gebunden, so spricht man hingegen von Adsorption. Das Maß der Absorption hängt hier von der Rückhaltefähigkeit und Aufnahmefähigkeit ab. Bei mechanischen Filter steigt die Rückhaltefähigkeit mit der Belegung, da die Schwebstoffe langsam die feinden Poren des Filters zusetzen. Dabei nimmt aber der Luftwiderstand des Filters zu. Für chemische Filter gilt es umgekehrt: Je stärker der Filter belegt ist, desto geringer ist die Rückhaltefähigkeit. Dabei ist es prinzipiell egal, ob das Trägermedium Luft oder eine Flüssigkeit ist. Siehe auch:
- Absorber | Resorption | Resonanzabsorption | Sorption | Absorptionsgrad |

Weblinks

- [http://www.activeart.de/dim-shops/demo/lichtMaterie Interaktive Darstellung von Absorption, Emission und der stimulierten Emission] Kategorie:Physik Kategorie:Optik Kategorie:Trennverfahren Kategorie:Verfahrenstechnik

Photon

In der Physik bezeichnet man mit Photon (von Griechisch φως = Licht) die elementare Anregung (Quant) des quantisierten elektromagnetischen Felds. Es ist eines der Studienobjekte der Quantenelektrodynamik, des ältesten Teils des Standardmodells der Teilchenphysik. Anschaulich gesprochen sind Photonen die "Bausteine" elektromagnetischer Strahlung, so etwas wie "Lichtteilchen". Allerdings darf dabei nicht vergessen werden, dass alle (Elementar-) Teilchen einschließlich der Photonen auch Welleneigenschaften besitzen (siehe auch: Welle-Teilchen-Dualismus).

Geschichte

Seit der Antike gab es verschiedene, oft einander widersprechende Vorstellungen über das Wesen des Lichts. Im 19. Jahrhundert konkurrierten Wellen- und Teilchentheorien. Während viele Phänomene wie Interferenz- und Polarisationserscheinungen für eine Wellennatur des Lichts sprachen, gab es auch Indizien für einen Teilchencharakter. Ein historisch sehr wichtiges Experiment, welches auf eine Teilchennatur des Lichts hinwies, war im Jahre 1887 die Beobachtung des Photoelektrischen Effekts durch Heinrich Hertz und Wilhelm Hallwachs. Die Quantisierung der elektromagnetischen Strahlung geht letztendlich auf die Erklärung der Schwarzkörperstrahlung durch Max Planck im Jahr 1900 zurück (Plancksches Strahlungsgesetz). Planck selbst stellte sich allerdings nicht die elektromagnetische Strahlung an sich quantisiert vor, sondern erklärte die Quantisierung damit, dass die Oszillatoren in den Wänden der Schwarzkörperresonatoren nur diskrete Energiemengen mit dem elektromagnetischen Feld austauschen können. Albert Einstein beschrieb 1905 in seiner Publikation zum photoelektrischen Effekt das Licht als aus Lichtquanten mit Partikeleigenschaften bestehend (für diese Arbeit übrigens – nicht etwa für seine Relativitätstheorie – wurde er 1921 mit dem Nobelpreis ausgezeichnet). Die formale Quantentheorie des Lichtes wurde erst seit 1925 beginnend mit Arbeiten von Max Born, Pascual Jordan und Werner Heisenberg entwickelt. Die bis heute gültige Theorie der elektromagnetischen Strahlung, welche auch die Lichtquanten beschreibt, die Quantenelektrodynamik (QED), geht in ihren Anfängen auf eine Arbeit von Paul Dirac im Jahr 1927 zurück, in der er die Wechselwirkung von quantisierter elektromagnetischer Strahlung mit einem Atom beschreibt. Die QED wurde in den 1940er Jahren entwickelt und 1965 mit der Verleihung des Nobelpreises für Physik an Richard P. Feynman, Julian Schwinger und Shinichiro Tomonaga gewürdigt. Der Begriff "Photon" wurde 1926 durch den Chemiker Gilbert Newton Lewis geprägt, der darunter aber nicht das Lichtquant verstand. Er verwandte den Begriff im Rahmen eines von ihm vorgeschlagenen (und allgemein nicht anerkannten) Modells der Wechselwirkung von Atomen mit Licht.

Symbol

Für das Photon wird im allgemeinen das Symbol

\gamma

(gamma) verwandt. In der Hochenergiephysik ist dieses Symbol allerdings reserviert für die hochenergetischen Photonen der Gammastrahlung (Gamma-Quanten), und die in diesem Zweig der Physik ebenfalls relevanten Röntgenphotonen erhalten das Symbol X (von Englisch: X-ray).

Eigenschaften

Jegliche elektromagnetische Strahlung, von Radiowellen bis zur Gammastrahlung, ist in Photonen quantisiert. Das bedeutet, die kleinste "Menge" an elektromagnetischer Strahlung beliebiger Frequenz ist ein Photon. Photonen haben eine unendliche natürliche Lebensdauer, können aber bei einer Vielzahl physikalischer Prozesse erzeugt oder vernichtet werden. Photonen besitzen keine Ruhemasse, aber sie besitzen Energie. Ein freies Photon befindet sich nie in Ruhe, sondern bewegt sich mit der Vakuumlichtgeschwindigkeit. In optischen Medien ist die effektive Lichtgeschwindigkeit aufgrund der Wechselwirkung der Photonen mit der Materie verringert. Da Photonen Energie besitzen, wechselwirken sie gemäß der Allgemeinen Relativitätstheorie mit der Gravitation.

Erzeugung und Detektion

Photonen können auf vierlei Arten erzeugt werden, insbesondere durch Übergänge ("Quantensprünge") von Elektronen zwischen verschiedenen Zuständen (z. B. verschiedenen Atom- oder Molekülorbitalen oder Energiebändern in einem Festkörper). Photonen können auch bei nuklearen Übergängen, Teilchen-Antiteilchen-Vernichtungsreaktionen, oder durch beliebige Fluktuationen in einem elektromagnetischen Feld erzeugt werden. Zum Nachweis von Photonenströmen können z. B. Photomultiplier, Photoleiter oder Photodioden verwendet werden. CCDs, Vidicons, PSDs, Quadrantendioden oder Fotoplatten und -filme werden zur ortsauflösenden Detektion von Photonen benutzt. Im IR-Bereich werden auch Bolometer eingesetzt. Photonen im Gammastrahlen-Bereich können durch Geigerzähler einzeln nachgewiesen werden. Photomultiplier und Avalanche-Photodioden können auch zur Einzelphotonendetektion im optischen Bereich verwendet werden, wobei Photomultiplier im Allgemeinen die niedrigere Dunkelzählrate besitzen, Avalanche-Photodioden aber noch bei niedrigeren Photonenenergien bis in den IR-Bereich einsetzbar sind.

Spin

Photonen sind Spin-1 Teilchen und somit Bosonen. Es können also beliebig viele Photonen denselben quantenmechanischen Zustand besetzen, was zum Beispiel in einem Laser realisiert wird. Photonen vermitteln die elektromagnetische Wechselwirkung: Sie sind die Teilchen, die es anderen Teilchen erlauben, miteinander elektromagnetisch wechselzuwirken. Da die elektromagnetische Wechselwirkung eine sogenannte Eichtheorie ist, zählen die Photonen zu den Eichbosonen.

Photonen im Vakuum

Im Vakuum bewegen sich Photonen mit der Vakuumlichtgeschwindigkeit

c\,

= 299792458 ms^-1. Die Dispersionsrelation, d.h. die Abhängigkeit der Energie

E\,

von der Frequenz

\nu\,

(ny), ist linear, und die Proportionalitätskonstante ist das Planck'sche Wirkungsquantum

h\,

, :

E=pc=h\nu\,.

Der Impuls

p\,

eines Photons beträgt damit :

p=\frac=\frac\,.

Photonen in Medien

In einem Material wechselwirken Photonen mit dem sie umgebenden Medium, woraus sich veränderte Eigenschaften ergeben. Das Photon kann absorbiert werden, wobei seine Energie natürlich nicht verschwindet, sondern in elementare Anregungen (Quasiteilchen) des Mediums wie Phononen oder Exzitonen übergeht. Möglich ist auch, dass es sich durch ein Medium ausbreitet; zum Beispiel als gekoppeltes Phonon-Photon-Paar (Polariton). Diese elementaren Anregungen in Materie haben üblicherweise keine lineare Dispersionsrelation, und ihre Ausbreitungsgeschwindigkeit ist niedriger als die Vakuumlichtgeschwindigkeit bis hin zu nur einigen Metern pro Sekunde für spezielle Materialien.

Wechselwirkung von Photonen mit Materie

Photonen die auf Materie treffen lösen bei bestimmten Energien unterschiedliche Prozesse aus. Im Bereich von:
- 1 eV - 100 keV Photoeffekt,
- 100 keV - 1 MeV Compton-Effekt,
- 1,022 MeV - 6 MeV Paarbildung
- 2,18 MeV - 16 MeV Kernphotoeffekt. Diese Effekte tragen maßgeblich dazu bei, dass man diese Strahlung detektieren kann und sich bestimmte Stoffe mit bestimmten Effekten anhand der Gammaspektroskopie nachweisen lassen.

Literatur

- [http://www.osa-opn.org/abstract.cfm?URI=OPN-14-10-49 C. Roychoudhuri and R. Roy (editors) The Nature of Light, What is a Photon?, Supplement to Optics & Photonics News, Vol. 3 No. 1, October 2003, ISSN 10476938]
- Harry Paul Photonen, Januar 1999, ISBN 3519132222
- Klaus Hentschel: Einstein und die Lichtquantenhypothese. Naturwissenschaftliche Rundschau 58(6), S. 311 - 319 (2005),

Weblinks

- [http://www.activeart.de/dim-shops/demo/lichtMaterie Interaktive Darstellung] von Absorption, Emission und der stimulierten Emission Kategorie:Elementarteilchen Kategorie:Quantenphysik Kategorie:Optik ja:光子 ko:광자 simple:Photon

Elektron-Loch-Paar

Ein Exziton ist ein gebundener Zustand von Elektron und Loch in einem Isolator bzw. einem Halbleiter. Es ist somit eine Elementare Anregung des Festkörpers. Es ist wie ein Phonon oder ein Polaron ein Quasiteilchen. Ein Exziton kann sich durch den Kristall bewegen und transportiert dabei seine Anregungsenergie durch diesen hindurch. Es spielt eine große Rolle bei der Absorption von Licht in Halbleitern. Ein Exziton kann z.B. entstehen, wenn ein Photon in einen Halbleiter eindringt und ein Elektron zum Übergang aus dem Valenzband in das Leitungsband anregt. Das Elektron und das im Valenzband entstandene, entgegengesetzt geladene Loch ziehen sich durch die Coulomb-Kraft gegenseitig an. Diese Situation ähnelt einem Wasserstoffatom und lässt sich auch quantenmechanisch analog beschreiben. Das gebundene Elektron/Loch-Paar hat eine etwas geringere Energie als der ungebundene Zustand. Allerdings ist die Bindungsenergie in der Regel viel kleiner und die räumliche Ausdehnung viel größer als beim Wasserstoffatom, da die Coulomb-Wechselwirkung zwischen Elektron und Loch teilweise abgeschirmt ist ("Screening"). In Abhängigkeit von den Eigenschaften der Exzitonen unterscheidet man Wannier-Exzitonen und Frenkel-Exzitonen.

Wannier-Exzitonen

Wannier-Exzitonen beschreiben phänomenologisch den Grenzfall grosser Abstände: Ein Elektron und ein Loch, beschrieben durch Effektive Massen, umkreisen sich. Der Einfluß des umgebenden Festkörpers wird in Kontinuumsnäherung durch eine effektive Dielektrizitätskonstante berücksichtigt. Die Energie E eines Wannier-Exzitons in einem Halbleiter ist analog zum Wasserstoffatom näherungsweise gegeben durch :

\begin
E & = & E_g
&-&
\frac\frac
&+&
\frac \\ 
& = & E_g &-& 136eV \cdot \frac \cdot \frac &+& E_
\end

mit

Frenkel-Exzitonen

Frenkel-Exzitonen beschreiben die umgekehrte Näherung, in dem Elektron und Loch an einem Gitterplatz lokalisiert sind. Die Energie der Wechselwirkung ist dann im wesentlichen als Überlapp der Ladungswolken (beschrieben durch die Wellenfunktionen von Elektron und Loch) zu sehen. Kategorie:Festkörperphysik Kategorie:Quantenphysik ja:励起子

Phonon

Ein Phonon ist ein Quasiteilchen, das in der Festkörperphysik angenommen wird, um die Eigenschaften der quantenmechanisch beschriebenen Gitterschwingungen in einem Kristall besser beschreiben zu können. Phononen sind delokalisiert, d.h. ein Phonon existiert im ganzen Kristallgitter und läßt sich keinem bestimmten Ort zuordnen. Kristall Man unterscheidet zwischen akustischen und optischen Phononen. Akustische Phononen (auch als Schallquanten bezeichnet) entsprechen weitestgehend den Schallwellen, die sich durch das Kristallgitter fortpflanzen. Hierbei bewegen sich alle Atome einer Einheitszelle in Phase. Bei optischen Phononen hingegen bewegen sich die Atome einer Einheitszelle gegenphasig. Sind die gegenphasig schwingenden Atome geladen, so existieren Schwingungsmoden, bei denen entgegengesetzt geladene Untergitter gegeneinander schwingen. Die dabei oszillierenden Dipolmomente können mit Photonen wechselwirken. Solche Kopplungen finden in der Regel im Infrarotbereich statt, also bei Wärmebewegungen innerhalb von Festkörpern. Man nennt solche Kristalle dann infrarot-aktiv. Beispiele für solche Gitter sind Ionengitter, zum Beispiel in Kochsalzkristallen. In einem dreidimensionalen Kristall mit

N

Atomen in der Einheitszelle existieren zu jedem mit der Kristallsymmetrie verträglichen Wellenvektor

3N

mögliche Schwingungsmoden:

3

akustische (davon eine longitudinal und zwei transversale) und

3(N-1)

optische. Die Energiezustände

\epsilon_n

der Phononen berechnen sich aus denen des harmonischen Oszillators nach :

\epsilon_n(\mathbf)=\hbar \omega(\mathbf k)\left(n + \frac\right)

. Da Phononen zu den Bosonen zählen, berechnet sich die mittlere Besetzungszahl

\langle n\rangle

im thermischen Gleichgewicht gemäß der Bose-Einstein-Verteilung :

\langle n\rangle = \frac

. Das chemische Potential

\mu

taucht in der Formel nicht auf, weil die Teilchenzahl der Phononen keine Erhaltungsgröße ist. Experimentell lassen sich die optischen Phononen mittels Raman-Spektroskopie oder Infrarot-Spektroskopie bestimmen. Zur Ermittlung des Gesamtspektrums der Phononen wird sowohl die Information über die Energie als auch über den Impuls der Gitterschwingungen benötigt. Diese Forderung wird durch die Neutronenstreuung erfüllt. Das Modell der Gitterschwingungen setzt eine kristalline Ordnung des Festkörpers voraus. Auch amorphe, also nicht kristallin geordnete Festkörper wie Gläser zeigen Schwingungen der Elementarteilchen untereinander, man bezeichnet diese aber nicht als Phononen. Der Begriff Phonon wurde in Analogie zu den Schwingungsquanten des elektromagnetischen Feldes, den Photonen gewählt und zum ersten Mal von Jakow Iljitsch Frenkel (1894-1952) 1932 in seinem Buch "Wave Mechanics, Elementary Theory" verwendet. Kategorie:Festkörperphysik Kategorie:Quantenphysik ja:フォノン

Bänderdiagramm

Im Bänderdiagramm oder Bändermodell werden die Zustände von Elektronen in einem Kristall beschrieben. Es gibt mehrere Energiebereiche, in denen viele quantenphysikalisch mögliche Zustände existieren, die energetisch so dicht liegen, dass sie als Kontinuum - als Energieband - angesehen werden können. Bei der Betrachtung der elektronischen Eigenschaften eines Kristalls sind vor allem das Valenz- und das Leitungsband von Bedeutung. Am absoluten Nullpunkt ist das Valenzband das höchste vollständig besetzte Energieband. Das energetisch darüberliegende Band nennt man Leitungsband. Im Allgemeinen liegt zwischen beiden ein verbotener Bereich, der Bandlücke genannt wird. Das Ferminiveau gibt an, bis zu welcher Energie Zustände (am absoluten Nullpunkt, null Kelvin) besetzt sind. Kelvin Die Leitfähigkeit des Kristalls hängt zum einen davon ab, ob das Leitungsband am Nullpunkt halb besetzt oder unbesetzt ist, und zum anderen davon welche Temperatur er besitzt. Letztere bestimmt, inwieweit Elektronen aus dem Valenzband thermisch angeregt und in das Leitungsband gehoben werden können. Auf diese Weise kann ein unbesetztes Leitungsband teilbesetzt werden. Ein voll besetztes Band trägt genau wie ein unbesetztes Band nichts zum Stromtransport bei, denn die Geschwindigkeit aller Elektronen eines Bandes ist im Mittel Null. Erst ein teilbesetztes Band ermöglicht im elektrischen Feld einen von Null verschiedenen Nettostrom. In einem Metall ist das Leitungsband zur Hälfte besetzt. Es handelt sich daher um einen guten elektrischen Leiter. Eine Temperaturerhöhung führt im Allgemeinen zur Verringerung der Leitfähigkeit des Kristall, da die erhöhte Streuung der Elektronen eine niedrigere mittlere Geschwindigkeit bedingt. In Halbmetallen überlappen das Valenz- und Leitungsband nicht. Ein Isolator hat ein unbesetztes Leitungsband und eine so große Bandlücke, dass bei Raumtemperatur und auch bei deutlich höheren Temperaturen nur sehr wenige Elektronen vom Valenz- ins Leitungsband thermisch angeregt werden. Der spezifische Widerstand eines solchen Kristalls ist sehr hoch. Es gibt jedoch auch Isolatoren, auf die das Bändermodell nicht anwendbar ist. Ähnlich liegen die Verhältnisse bei einem Halbleiter, jedoch ist die Bandlücke hier so klein, dass sie durch thermische Energiezufuhr überwunden werden kann. Ein Elektron kann ins Leitungsband angehoben werden und ist hier beweglich. Zugleich hinterlässt es im Valenzband eine Lücke, die durch benachbarte Elektronen aufgefüllt werden kann. Somit ist im Valenzband die Lücke beweglich. Man bezeichnet sie auch als Defektelektron, Elektronenfehlstelle oder Loch (siehe Löcherleitung). Bei Raumtemperatur weist ein Halbleiter dadurch eine geringe Eigenleitfähigkeit auf, die durch Temperaturerhöhung gesteigert werden kann. Durch Dotierung kann ein Halbleiter gezielt mit Ladungsträgern ausgestattet werden. Der Halbleiterkristall beruht auf einem Kristallgitter aus 4-wertigen Atomen, die jeweils durch vier Elektronenpaare gebunden sind. Dotierung mit 5-wertigen Atomen hinterlässt im Gitter ein für die Bindung nicht erforderliches Elektron, das somit nur locker gebunden ist (Abbildung unten, Bild a). Mit nur geringer Energie kann es daher ins Leitungsband angehoben werden und ist hier beweglich (Bild b). Ein solches Atom nennt man einen Elektronen-Donator (lat. donare = geben). Der Kristall wird mit beweglichen negativen Ladungsträgern ausgestattet, man spricht von einer n-Dotierung. Zugleich bleibt ein positiver Atomrumpf im Gitter zurück. Lässt man den Hintergrund der neutralen Grundsubstanz außer Betracht (Bild c), so hat man eine positive feste und eine negative bewegliche Ladung ins Gitter eingebracht. Energetisch liegt ein Donator also knapp unterhalb des Leitungsbandes (Bild d). Dotierung mit 3-wertigen Atomen führt zu einer ungesättigten Bindung, in der ein Elektron fehlt. Dieses kann mit geringem Energieaufwand aus einer anderen Bindung gerissen werden. Ein solches Atom nennt man einen Elektronen-Akzeptor (lat. accipere = annehmen), das energetisch knapp oberhalb des Valenzbandes liegt. Es entsteht eine negative ortsfeste Ladung. Zugleich hinterlässt das Elektron im Kristall eine Lücke, die durch ein anderes Elektron aufgefüllt werden kann, also eine bewegliche Elektronenfehlstelle. Im Resultat hat man eine negative feste und eine positive bewegliche Ladung eingebracht. Man spricht dann von p-Dotierung. wertigen Eine wichtige Anwendung finden die dotierten Kristalle in der Mikroelektronik, deren Strukturen vor allem auf Halbleiterdioden beruhen. Diese werden aus einem p-n-Übergang gebildet, das heißt aus einer Kombination eines p-dotierten mit einem n-dotierten Kristall. Kategorie:Festkörperphysik

Leuchtdiode

Eine Leuchtdiode (auch LED für Light Emitting Diode bzw. lichtemittierende Diode) ist ein elektronisches Halbleiter-Bauelement. Wird durch die Diode ein Strom in Durchflussrichtung geschickt, strahlt sie Licht ab.

Aufbau

Halbleiter Das Bild rechts zeigt den Aufbau einer Standard-Leuchtdiode (Durchmesser 5 mm). Der Halbleiterwürfel selbst wird von einem kegelförmigem Reflektor (Reflektorwanne) getragen, der gleichzeitig den einen Kontakt zum Halbleiter herstellt. Der feine Bonddraht, rechts oberhalb des Trägers als horizontale Linie erkennbar, stellt den zweiten Kontakt her. Die Kathode (−) ist durch eine Abflachung links am Gehäusesockel markiert. Bei nicht verbauten LEDs ist zudem der Anschluss der Kathode kürzer, wodurch auch die Merkregel Kathode = kurz gilt. Da auf fertigen Platinen die Bauteilanschlüsse abgeschnitten werden, kann man die Kathode dann nicht mehr daran erkennen. Die in einer Platine für die Kathode vorgesehene Bohrung ist günstigerweise durch einen Strich nahe derselben gekennzeichnet. Bei den meisten Leds ist der Reflektor die Kathode, dann gilt auch die Merkregel, dass die (technische) Stromrichtung von dem Pfeil, den die Elektrode (in der Abbildung rechts) durch ihre Form bildet, „angezeigt“ wird. In seltenen Fällen ist der Aufbau aber genau umgekehrt! Hochleistungs-LED werden mit höheren Strömen betrieben. Es entstehen besondere Anforderungen an die Wärmeableitung, die sich in speziellen Bauformen ausdrückt. Die Wärme kann entweder über die Stromzuleitungen abgeführt werden, oder der Strom wird über zwei Bonddrähte zugeführt und die Wärmeableitung über die Reflektorwanne ist davon getrennt. Die industrielle Verarbeitung von bedrahteten LED ist aufwändig und teuer. LED werden daher z.B. auch in SMD-Gehäuseform hergestellt. Eine weitere Möglichkeit ist das direkte "bonden" des LED-Chips auf der Platine (Chip on board – COB). Mehrfarbige Leuchtdioden bestehen aus mehreren (2 oder 3) Dioden in einem Gehäuse. Bei der Ausführung mit 2 Anschlüssen sind 2 LED in Gegenrichtung parallel geschaltet. Je nach Polarität leuchtet die eine oder andere Diode. Eine Wechselspannung regt beide Dioden an und erzeugt eine Überlagerungsfarbe.

Funktionsprinzip

Der Halbleiter in einer LED besteht aus einer Diode. Durch Anlegen einer äußeren Spannung in Durchlassrichtung wandern Elektronen zur Rekombinationsschicht am p-n-Übergang. Auf der n-dotierten Seite bevölkern sie das Leitungsband, um nach Überschreiten der Grenzfläche auf das energetisch günstigere p-dotierte Valenzband zu wechseln. Beispielsweise erfolgt bei Silizium-Dioden der Übergang strahlungslos durch Phononenanregung (Gitterschwingungen), das Gitter führt die Energie als Wärme ab. Gallium-Arsenid (GaAs) hingegen leuchtet. Gallium-Arsenid Die Bandstruktur des Halbleiters bestimmt das Verhalten der Energieübertragung. Im Unterschied zum sehr vereinfachten Bändermodell ist in der Grafik auf der Abszisse (x-Achse) der Impuls k aufgetragen, anschaulich vergleichbar einer reziproken Ortskoordinate. Rechts ist kein direkter Strahlungsübergang vom oberen Leitungsband auf das untere Valenzband möglich, da sich nicht nur die Energie, sondern auch der Impuls k verändert, im Gegensatz zum linken Beispiel (siehe auch Bandlücke). Die Größe der Energielücke E-E' bestimmt die Farbe des ausgesandten Lichts: : $\lambda(W_D) = \frac = \frac$ :

\lambda(W_D)

lambda: Wellenlänge des emittierten Lichtes in nm (Nano-Meter), wenn $W_D$ in eV eingesetzt wird. :h Plancksches Wirkungsquantum = 6,626 · 10^-34 J s :c Lichtgeschwindigkeit = 2,997 · 10⁸ m s^-1 :W_D Arbeit, hier: Bandlücke, angegeben in eV, abhängig vom verwendeten Halbleiterwerkstoff. Die Größe der Bandlücke und damit die Farbe lassen sich über die chemische Zusammensetzung des Halbleiters steuern. Beispielsweise hat der Halbleiter GaAs einen direkten Bandabstand von 1,4 eV, entsprechend einer Wellenlänge von 885 nm. Eine Zugabe von Phosphor vergrößert ihn, verformt aber auch das Leitungsband. Wenn Phosphor 50% der As-Atome ersetzt, liegt der Bandabstand bei fast 2 eV (650 nm). Dafür hat sich die Bandstruktur so verschoben, dass keine direkten Strahlungsübergänge mehr beobachtet werden, wie im Beispiel rechts gezeigt.
Technologie
Phosphor Durch die gezielte Auswahl der Halbleitermaterialien und der Dotierung können die Eigenschaften des erzeugten Lichtes variiert werden. Vor allem der Spektralbereich (das entspricht im sichtbaren Bereich der Farbe) und die Effizienz lässt sich so beeinflussen:
- Aluminium-Galliumarsenid (AlGaAs) – rot und infrarot, bis 1000nm Wellenlänge; Durchlass-Spannung 1,2..1,5 V
- Gallium-Aluminium-Arsenid (GaAlAs) – z. B. 665 nm, rot, LWL bis 1000 nm
- Galliumarsenid-phosphid (GaAsP) und Aluminium-Indium-Gallium-phosphid (AlInGaP) – rot, orange und gelb; Durchlass-Spannung 1,8..2,2 V
- Galliumphosphid (GaP) – grün; Durchlass-Spannung 2,2..2,4 V
- Siliziumcarbid (SiC) – erste kommerzielle blaue LED; geringe Effizienz
- Indium-Galliumnitrid (InGaN)/Galliumnitrid (GaN) – UV, blau und grün; Durchlass-Spannung 3,5..4 V Bei der Herstellung der LED-Halbleiter werden verschiedene Epitaxie-Verfahren eingesetzt.
Eigenschaften
Epitaxie Anders als Glühlampen sind Leuchtdioden keine Temperaturstrahler. Sie emittieren Licht in einem begrenzten Spektralbereich, das Licht ist nahezu monochrom. Deshalb ist z. B. der Einsatz in Signalanlagen im Vergleich zu anderen Lichtquellen, bei denen Farbfilter den größten Teil des Spektrums herausfiltern, besonders effektiv. Als Lebensdauer der LED wird die Zeit, nach der die Lichtausbeute der LED auf die Hälfte des Anfangwertes abgefallen ist, bezeichnet. Leuchtdioden werden nach und nach schwächer, fallen aber nicht plötzlich aus. Leuchtdioden sind unempfindlich gegen Erschütterungen. Sie haben keinen Hohlkörper, der implodieren kann. Die Lebensdauer hängt von dem jeweiligen Halbleitermaterial und den Betriebsbedingungen (Wärme, Strom) ab. Die angegebene Lebensdauer reicht von einigen 1000 Stunden bei 5 Watt-LED bis zu über 100000 Stunden bei mit niedrigen Strömen betriebenen LED. Hohe Temperaturen (z.B. durch hohe Ströme) verkürzen die Lebensdauer der LED drastisch. Die hohe Schaltgeschwindigkeit der LED ist z.B. bei dem Einsatz in der Optoelektronik wichtig. Leuchtdioden besitzen eine exponentiell ansteigende Strom-Spannungs-Kennlinie. Im Betrieb muss der Strom durch ein weiteres Bauelement begrenzt werden, im einfachsten Fall durch einen Widerstand oder durch eine Konstantstromquelle. Die Stromaufnahme beträgt 2 mA (typisch 20 mA) bis ca. 700 mA bei einer Spannung von 2 V bis 4 V.
Weiße LED
Um mit Leuchtdioden weißes Licht zu erzeugen, kommen verschiedene Verfahren zum Einsatz:
- Drei Leuchtdioden der Farben Rot, Grün und Blau (RGB) werden zusammengeschaltet und erzeugen weißes Licht (Einsatz: Displays, Effektbeleuchtung). Das kann mit separaten LED oder mit drei LED-Chips innerhalb eines Gehäuses geschehen. Auch mit nur zwei LED in den Farben Blau und Gelb kann weißes Licht gemischt werden. Der LED-Chip wird mit Fluoreszenzfarbstoff bedeckt. Ähnlich wie bei einer Leuchtstofflampe wird kurzwelliges, energiereiches Licht in langwelliges, energieärmeres Licht umgewandelt. Bei geeigneter Wahl der Komponenten ergibt die additive Farbmischung weiß.
- Entweder wird ein Teil des Lichtes blauer LED durch einen Farbstoff in gelbes Licht umgewandelt und die Mischung ergibt weiß oder
- die Leuchtdiode strahlt im UV-Bereich. Das sichtbare weiße Licht wird ausschließlich durch Anregung von geeigneten Fluoreszenzfarbstoffen (RGB) erzeugt. Solche LED haben gute Farbwiedergabeeigenschaften (Ra 90).
Einsatzbereiche
Farbwiedergabe Farbwiedergabe mit LED Anzeige. Links Uhrzeit, rechts Tag/Datum]] Nachdem die LED lange Zeit aufgrund geringer Lichtausbeute und fehlender Verfügbarkeit aller Lichtfarben hauptsächlich als Indikationslampen, in Siebensegment- und Punktmatrixanzeigen eingesetzt wurden, erschließt sich die LED nun weite Einsatzbereiche z. B. auch in der Beleuchtungstechnik. Einige Einsatzbereiche sind:
- Leuchtmittel, um Glühlampen zu ersetzen (siehe Bild rechts)
- Laufschriftanzeigen zur Informationsübermittlung in der Öffentlichkeit, Wechselkennzeichen im Straßenverkehr
- Statusanzeigen, beispielsweise Betriebsbereitschaft bei Geräten aller Art
- Infrarot-LEDs in Fernbedienungen, vor allem im Bereich der Unterhaltungselektronik
- LED-Bündel in Verkehrsampeln (statt gewöhnlicher Glühlampen mit Farbfiltern. Hier macht sich neben der längeren Lebensdauer auch die schnellere Ansprechzeit gegenüber Glühlampen bemerkbar.
- Fahrradbeleuchtung, vornehmlich als Rücklicht, zunehmend aber auch als Scheinwerfer
- Siebensegmentanzeigen an Taschenrechnern und Messgeräten (dort inzwischen weitgehend abgelöst durch Flüssigkristallanzeigen)
- Rote und gelbe LEDs für Anzeigen in Bereichen, wo die Dunkeladaptation des Auges nicht beeinträchtigt werden darf (Flugzeug-Cockpits, Schiffsbrücken, Sternwarten, im nächtlichen Geländeeinsatz (Militär oder Tierbeobachtung))
- Mobile Beleuchtungsanwendungen, wie Taschenlampen, zunehmend auch im Automobilbereich
- Als Teil von Bewegungssensoren, beispielsweise bei Zeigegeräten in der EDV oder für Lichtschranken
- Zur Belichtung der Tonerwalze bei LED-Druckern
- Zur Displayhinterleuchtung (Mobiltelefon, Monitore). Dieser Bereich macht einen großen Teil des Marktes der LED aus
- (tageslichtfähige) TV-Großdisplays (z. B. in Stadien)
- Für Beleuchtungszwecke, hauptsächlich Beleuchtung eng abgegrenzter Bereiche (Spotlicht)
- RGB-Effektbeleuchtung mit änderbaren Lichtfarben
- Als Ersatz für konventionelle Leuchtmittel, z. B. einfach einsetzbar in gesockelter Ausführung
- im Medizinbereich (z. B. UV-LED in der Zahntechnik)
- (derzeit im Prototypenstadium) als Scheinwerfer von (u. a.) Kraftfahrzeugen
Entwicklung
RGB RGB Im Laufe der Entwicklung wurde die Lichtausbeute der LED gesteigert. Es wurden neue Halbleitermaterialien entwickelt, so dass es LED in nahezu allen Farben des Spektrums (Lücke im grün-gelb Spektrum) gibt. Insbesondere nach Halbleitern, die Licht im kurzwelligen Bereich (blau, UV) effektiv erzeugen, wurde lange gesucht. Die weitere Steigerung der Effizienz und die preiswertere Herstellung der Halbleiter ist das Ziel weiterer Entwicklungen. Gegenwärtig wird z. B. daran gearbeitet, sowohl transparente Trägermaterialien und Halbleiter-Materialien als auch transparente elektrische Zuleitungen herzustellen. Die Bonddrähte (elektrische Leitungen zum Halbleiterchip) decken einen Teil der aktiven Fläche ab. Die Alterung von LEDs ist wohl auf die Vergrößerung von Fehlstellen im Kristall durch thermische Einflüsse zurückzuführen, die nicht mehr an der Lichterzeugung teilnehmen und strahlungslose Übergänge fördern. Mit 30 lm/W entspricht die Lichtausbeute von weißen Leuchtdioden der von Halogen-Glühlampen. Die effektivsten verfügbaren weißen LED haben heutzutage (November 2004) eine Lichtausbeute von 50 lm/W. Große Leuchtdiodenhersteller arbeiten derzeit intensiv an der Erhöhung des Wirkungsgrades. Erst wenn dieser deutlich über Halogenlampen liegt, ist eine breite Anwendung im Automobilsektor sinnvoll. In wenigen Jahren wird hier ein Durchbruch erwartet. Bereits jetzt ist die LED dabei, die Glühlampe in etlichen Spezialanwendungen zu verdrängen. Die Vorteile gegenüber der Glühlampe: Die LED verbraucht weniger Strom, erzeugt weniger Wärme, ist unempfindlich gegenüber Erschütterungen, erreicht deutlich kürzere Schaltzeiten und hat eine hohe Lebensdauer. Taschenlampen z. B. werden in den nächsten Jahren wohl nur noch LEDs enthalten. Bis LED beginnen, Glühlampen als allgemeines Beleuchtungsmittel zu verdrängen und sich einen breiten Massenmarkt zu erobern, muss jedoch ihre Lichtausbeute und Energieeffizienz bei sinkenden Kosten weiter gesteigert werden. Es ist anzumerken, dass mit den Energiesparlampen Verbesserungen in Bezug auf die Energieeffizienz in der allgemeinen Beleuchtung erreicht wurden, an denen sich auch LED messen lassen müssen, wenn sie große Marktanteile erreichen wollen. Zur Zeit jedenfalls erreichen sie diese Werte nicht.
Siehe auch

- Organische Leuchtdiode
- Laserdiode
- RCLED
Weblinks

- [http://www.led-info.de/ Die Leuchtdiode und deren Einsatz]
- [http://www.led-treiber.de/ Aufbau elektronischer LED-Treiberschaltkreise oder -Baugruppen]
- [http://www.lightemittingdiodes.org/ Resource of technical information] (englisch)
- [http://ledmuseum.home.att.net/ LED-Museum] (englisch)
- [http://britneyspears.ac/lasers.htm Britney's Guide to Semiconductor Physics] (englisch) Kategorie:Diode Kategorie:Lichttechnik ja:発光ダイオード

Kategorie:Festkörperphysik

Zu dieser Kategorie zählen alle Beiträge zur Festkörperphysik, die nicht speziell den Bereich Kristalle (siehe Unterkategorie) zugeordnet werden können. Insbesondere zählen dazu elektronische, optische, magnetische, und thermische Eigenschaften von Festkörpern (klassisch in Leiter, Isolatoren und Halbleiter eingeteilt). In diese Kategorie werden auch die Beiträge zur Tieftemperaturphysik gezählt, solange keine eigene Unterkategorie existiert. Kategorie:Physik Kategorie:Mikroelektronik ja:Category:固体物理学 ko:분류:고체물리학

Kategorie:Spektroskopie

Die Kategorie Spektroskopie umfasst alle Methoden der Physik, Energieniveaus und Struktur von Nukleonen, Atomen, Molekülen und kondensierter Materie (z.B. weiche Materie und Festkörper) auszumessen. Insbesondere sind hier die Methoden aufzunehmen, die sich auf viele Teilgebiete anwenden lassen. Kategorie:Physik

Motorola Dragonball

Motorola DragonBall

webmaster narty szwajcaria pozycjonowanie stron opisy gg Nurkowanie

:: RELATED NEWS ::

Ryszard Grobelny
left left] Ryszard Grobelny (ur. 17 kwietnia 1963 w Poznaniu) — prezydent Poznania od 1998. Absolwent Akademii Ekonomicznej w Poznaniu

Stanisław Smoleński
Stanisław Smoleński (ur. 17 maja 1915 w Wiedniu), polski duchowny katolicki, biskup pomocniczy krakowski, teolog. Jego ojciec był profesorem Uniwersytetu Jagiellońskiego. W latach 1933-Need for Speed: Underground II, Grand Theft Auto: Vice City. Reszta jest podobna, różnią się zawartymi w nich inf

HD 209458 b
Ozyrys (nazwa katalogowa: HD 209458b) - planeta pozasłoneczna orbitująca wokół gwiazdy HD 209458 w gwiazdozbiorze Pegaza. Nazwa planety pochodzi od imienia

Aston Martin V12 Vanquish S
Aston Martin V12 Vanquish S – sportowe coupe, flagowy model firmy Aston Martin Lagonda Limited. Jest usprawnioną wersją modelu Vanquish produkowanego od 2001 roku. Wprowadzenie wersji S wiązało się głównie z niedoskonałością układu przeniesienia napędu, jak i chęcią firmy Aston Martin Lagonda Ltd. do wyśrubowania osiągów modelu Vanquish. Vanquish S posiada wiele usprawni

Augustyn Mirys
Augustyn Mirys (ur. 1700 we Francji, zm. 1790 w Nowym Mieście koło Białegostoku), malarz. Przybył do Polski w 1731, przebywał na dworach polskich magnatów. Mirys, Augustyn

Planeta pozasłoneczna
)]] Planety pozasłoneczne to planety znajdujące się w pozasłonecznych układach planetarnych, czyli układach wokół gwiazd innych niż Słońce. Obecnie znanych jest ponad 150 pozasłonecznych planet (stan na 3 maja 2005), ponad 100 systemów p

Skalica
W geologii skalica to forma terenu wystająca ponad powierzchnię, zbudowana z litej skały. Rodzaje skalic:
- maczuga skalna
- turniczka
- chłopek
- grzyb skalny
- materac skalny
- mur skalny
-