4 Physikalische Mechanismen: Absorption, Photoleitfähigkeit, Photonenemission
4.1 Lichtabsorption

Wenn sich Licht durch ein Material ausbreitet, wird ein Teil der Photonenenergie in andere Energieformen (z. B. Wärme) umgewandelt. Diese verlorene Energie wird in dem Material absorbiert. Die Elektronen von Atomen können in einen höheren energetischen Zustand übergehen und vom VB (Valenzband) in Leitungsband durch Absorption der Photonenenergie angeregt werden. Dabei werden Paare e-h+ (Elektron-Loch) erzeugt.

Der wichtigste Prozess der Lichtabsorption in einem Halbleiter ist das Entstehen von diesen Paaren e-h+. Jedes absorbierte Photon verursacht einen Übergang vom Valenzband in Leitungsband. Ein Photon wird vom Halbleiter absorbiert, falls die Energie des Photons höher als Bandlücke des Materials Eg ist.

Die Bandlücke Eg bezieht sich auf den Unterschied der Energie in eV (Elektronenvolt) zwischen dem oberen Teil des Valenzbands und dem unteren Teil des Leitungsbands in Isolatoren und Halbleitern. Die Elektronenaffinität eines Halbleiters χ ist die Breite des Leitungsbands eV. Die Fermi-Energie EF gibt die höchste Energie an, die bei 0 K besetzt werden kann. Die Energien oberhalb EF sind leer bis zur Vakuumebene.

Eg = Ec – Ev

wo Ec und Ev die Energien des oberen Teils des Valenzbands und des unteren Teils des Leitungsbands sind. Das Bild 6 zeigt den Absorptionsmechanismus und das Schema des Energiebands.

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Bild 6: Schema des Energiebands und Absorptionsmechanismus.
Typische Eigenschaften einiger Halbleiter bei 300 K

Halbleiter

Eg (eV)

χ(eV)

Silizium: Si

1,11

4,05

Galliumarsenid: GaAs

1,42

4,07

Germanium: Ge

0,66

4,13

Indiumphosphid: InP

1,35

4,5

Galliumphosphid: GaP

2,26

3,8

Für jede Wellenlänge λ eines einfallenden Lichtstrahls Io, der durch ein Material durchgeht, wird die Intensität des Lichtstrahls I mittels Streuungs- und Absorptionsmechanismen gedämpft. Das Lambertsche Gesetz definiert die Übertragung und Absorption wie folgt:

I = Io·eαL

wobei α Absorptionskoeffizient ist; α (m-1) ist eine Funktion von λ.