Photolumineszenz-Aufbau

Dieser Artikel bezieht sich zum Teil auf die pdf-Anleitung zum F-Praktikumsversuch:
Photolumineszenz an Halbleiterheterostrukturen

Trifft ein Photon mit einer Energie größer als die Bandlücke des Halbleiters auf eine Halbleiterprobe ein, so hebt man ein Elektron aus dem Valenzband ins Leitungsband und erhält ein Loch im Valenzband; es wurde ein Elektron-Loch-Paar (Exziton) erzeugt. Der Vorgang, ein Elektron-Loch-Paar mittels eines Photons ausreichender Energie zu erzeugen, nennt sich Generation. Daraufhin folgt die Thermalisierung: Durch strahlungslose Intrabandübergänge relaxieren Elektron und Loch im jeweiligen Band an die Bandkanten. Bei Rekombination von Elektron und Loch wird ein Photon emittiert, das die Energie der Bandlücke trägt.

Was erhalte ich durch die Anwendung des Photolumineszenz-Aufbaus?

• Energiedifferenz zwischen tiefstem Energiezustand im Leitungsband und höchstem Energiezustand im Valenzband ($\Rightarrow$ Bandlücke $\text{E}_g$)
• Prüfung der kristallinen Qualität des Halbleiters

Physikalischer Hintergrund

Die für diesen Aufbau benutzte Anregungsart ist die Überbandanregung. Um Lumineszenz beobachten zu können, muss man künstlich einen Ungleichgewichtszustand in der Ladungsträgerkonzentration der beiden Bänder herstellen. Im Falle der Photolumineszenz werden die Elektronen einer intensiven Lichteinstrahlung ausgesetzt. Mittels einer Laserdiode ($\lambda=636 nm$), die Photonen mit einer Energie größer als die Bandlücke aussendet ($\text{E}_\text{Photon}=h\nu>\text{E}_g$), werden die Elektronen aus dem Valenzband über die Leitungsbandkante angehoben. Das Elektron sowie das Loch relaxieren durch Stöße mit Gitteratomen strahlungslos an die Leitungs-/ bzw. Valenzbandkante. Die typische Lebensdauer der Ladungsträger an den Bandkanten bis sie miteinander rekombinieren liegt im Bereich von Mikro- bis Nanosekunden. Bei der Rekombination gibt es eine Reihe von Rekombinationsmechanismen (Rekombination eines freien Exzitons, Rekombination eines störstellengebundenen Exzitons, Rekombination des Elektrons eines neutralen Donators mit einem Loch des Valenzbandes, Rekombination eines Leitungsbandelektrons mit dem Loch eines neutralen Akzeptors, Rekombination des Elektrons eines neutralen Donators mit dem Loch eines neutralen Akzeptors), auf die im Einzelnen nicht eingegangen wird.