2001:16B8:AD2D:9900:1122:7451:1AA2:19CF: /* Laser & LEDs */

2024-08-26T19:16:51Z

Laser & LEDs

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[[Datei:Heteroübergang - Banddiagramm vor Kontakt.svg|mini|[[Bändermodell|Bandenergien]] zweier Materialien unterschiedlicher [[Dotierung]] mit unterschiedlichem [[Bandlücke|Bandabstand]] zwischen [[Valenzband]]energie E<sub>v</sub> und [[Leitungsband]]energie E<sub>c</sub>, ''ohne Kontakt''.]]
[[Datei:Heteroübergang - Banddiagramm bei Kontakt.svg|mini|Heteroübergang dieser Materialien ''mit Kontakt''. Diffusionsspannung <math>\psi_D</math> (siehe [[p-n-Übergang]]). Der Energieunterschied zum [[Vakuumenergieniveau]] entspricht der [[Ionisationsenergie]].]]

Als '''Heteroübergang''' (auch ''Heterostruktur'', engl. '''Heterojunction''') wird die Grenzschicht zweier unterschiedlicher [[Halbleiter]]<nowiki>materialien</nowiki> bezeichnet. Anders als bei einem [[p-n-Übergang]] ist hier nicht (nur) die [[Dotierung]]sart, sondern die Materialart verschieden. Die Halbleiter besitzen deshalb i. A. eine unterschiedliche Energie der [[Bandlücke]] und weisen besonderen elektrische und optische Eigenschaften auf.<ref>{{Literatur |Autor=[[Gerhard Abstreiter]] |Titel=Die Dimension macht den Unterschied |Sammelwerk=Physik Journal |Band=13 |Nummer=8/9 |Verlag=Wiley-VCH |Datum=2014 |Online=https://www.pro-physik.de/restricted-files/89301}}</ref><ref>{{Literatur |Autor=Tsuneya Ando, Alan B. Fowler, Frank Stern |Titel=Electronic properties of two-dimensional systems |Sammelwerk=Reviews of Modern Physics |Band=54 |Nummer=2 |Datum=1982-04-01 |Sprache=en |ISSN=0034-6861 |DOI=10.1103/RevModPhys.54.437 |Seiten=437–672 |Online=https://link.aps.org/doi/10.1103/RevModPhys.54.437 |Abruf=2023-02-01}}</ref>

Heteroübergänge werden meist aus [[III-V-Verbindungshalbleiter|III-V]] oder [[II-VI-Verbindungshalbleiter|II-VI-Verbindungshalbleitern]] mittels [[Epitaxie|Halbleiterepitaxie]] realisiert. Man spricht bei mehreren Schichten auch von [[Übergitter|Übergittern]].

Der Nobelpreis für Physik 2000 wurde an [[Herbert Kroemer]] und [[Schores Iwanowitsch Alfjorow]] für Halbleiter-Heteroübergänge verliehen.<ref>{{Internetquelle |url=https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2000/summary/ |titel=The Nobel Prize in Physics 2000 |sprache=en-US |abruf=2023-02-01}}</ref><ref>{{Literatur |Autor=Herbert Kroemer |Titel=Nobel Lecture: Quasielectric fields and band offsets: teaching electrons new tricks |Sammelwerk=Reviews of Modern Physics |Band=73 |Nummer=3 |Datum=2001-10-22 |Sprache=en |ISSN=0034-6861 |DOI=10.1103/RevModPhys.73.783 |Seiten=783–793 |Online=https://link.aps.org/doi/10.1103/RevModPhys.73.783 |Abruf=2023-02-01}}</ref><ref>{{Literatur |Autor=Zhores I. Alferov |Titel=Nobel Lecture: The double heterostructure concept and its applications in physics, electronics, and technology |Sammelwerk=Reviews of Modern Physics |Band=73 |Nummer=3 |Datum=2001-10-22 |Sprache=en |ISSN=0034-6861 |DOI=10.1103/RevModPhys.73.767 |Seiten=767–782 |Online=https://link.aps.org/doi/10.1103/RevModPhys.73.767 |Abruf=2023-02-01}}</ref>
== Berechnung ==

Bei einem p-n-Heteroübergang stellt sich eine Unregelmäßigkeit in den [[Bändermodell|Energiebändern]] der Materialien ein. Die Ausdehnung <math>X</math> dieser Unregelmäßigkeit, eine Verbiegung der Bandkanten, lässt sich über die [[Poissongleichung]] berechnen. Nimmt man den Übergang vom negativ dotierten Material 1 zum positiv dotierten Material 2 mit den relativen [[Dielektrizitätskonstante]]n <math>\varepsilon</math> und Dotierungskonzentrationen <math>N_\mathrm{D}</math> bzw. <math>N_\mathrm{A}</math> an, stellt sich mit der Diffusionsspannung <math>\psi_\mathrm{D}</math> bei angelegtem äußeren [[Elektrisches Feld|elektrischen Feld]] der [[Elektrische Spannung|Spannung]] <math>U</math> eine Bandverbiegung der folgenden Größe ein:

<math>X_1 = \sqrt{\frac{2}{q}\frac{\varepsilon_1\varepsilon_2\cdot N_\mathrm{A}(\psi_\mathrm{D} - U)}{N_\mathrm{D}(\varepsilon_2 N_\mathrm{D}+\varepsilon_1 N_A)}}</math>,
<math>X_2 = \sqrt{\frac{2}{q}\frac{\varepsilon_1\varepsilon_2\cdot N_\mathrm{D}(\psi_\mathrm{D} - U)}{N_\mathrm{A}(\varepsilon_2 N_\mathrm{D}+\varepsilon_1 N_\mathrm{A})}}</math>

== Anwendung ==

=== Laser & LEDs ===
Anwendung finden Heteroübergänge u. a. in [[Laserdiode]]n: Wird bei optischer [[Rekombination (Physik)|Rekombination]] Strahlung im Bereich mit der kleineren Bandlücke ausgesandt, kann diese nicht von Elektronen im Bereich der größeren Bandlücke absorbiert werden. Die Wahrscheinlichkeit, dass die Strahlung das Halbleitermaterial verlässt, ist also größer.

Mittels ''Doppelheterostrukturen'' gelang der Durchbruch bei blauen und weißen [[Leuchtdiode|Leuchtdioden]]. 2014 wurden die Forscher [[Isamu Akasaki]], [[Hiroshi Amano]] und [[Shuji Nakamura]] mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet.<ref>{{Literatur |Autor=Shuji Nakamura |Titel=Nobel Lecture: Background story of the invention of efficient blue InGaN light emitting diodes |Sammelwerk=Reviews of Modern Physics |Band=87 |Nummer=4 |Datum=2015-10-05 |Sprache=en |ISSN=0034-6861 |DOI=10.1103/RevModPhys.87.1139 |Seiten=1139–1151 |Online=https://link.aps.org/doi/10.1103/RevModPhys.87.1139 |Abruf=2023-02-01}}</ref><ref>{{Internetquelle |url=https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2014/summary/ |titel=The Nobel Prize in Physics 2014 |sprache=en-US |abruf=2023-02-01}}</ref>

=== Solarzellen ===
Ein weiteres Anwendungsgebiet findet sich bei [[Solarzelle]]n: Hier können unerwünschte [[Minoritätsladungsträger]] zu den Kontakten hin abgeschirmt werden, indem die höhere Bandlücke als Potential-Barriere für diese Ladungsträger genutzt wird. Auf diese Weise kann die Rekombination und somit der Verlust von Ladungsträgern am defektreichen Metall-Halbleiter-Kontakt und in den hochdotierten Schichten an den Kontakten reduziert werden, da den [[Majoritätsladungsträger]]n durch die Stufe im Heteroübergang die Rekombinationspartner in Form der Minoritätsladungsträger entzogen wurden. Mithilfe dieses Konzepts konnte 2014 ein [[Wirkungsgrad|Rekordwirkungsgrad]] von Siliciumsolarzellen von 25,6 % erreicht werden, indem [[amorphes Silicium]] als Material mit großer Bandlücke auf kristallinem [[Silicium]] verwendet wurde.<ref>Panasonic HIT(R) Solar Cell Achieves World's Highest Energy Conversion Efficiency of 25.6% at Research Level: [http://panasonic.co.jp/corp/news/official.data/data.dir/2014/04/en140410-4/en140410-4.html Panasonic News]</ref><ref>{{Internetquelle |url=https://news.panasonic.com/global/press/en140410-4 |titel=Panasonic HIT® Solar Cell Achieves World's Highest Energy Conversion Efficiency*1 of 25.6%*2 at Research Level {{!}} Press Release |hrsg=[[Panasonic Corporation]] |datum=2014-04-10 |abruf=2023-02-01}}</ref>

Die verschiedenen Solarzellentypen und jeweiligen Rekorde werden vom amerikanischen [[National Renewable Energy Laboratory|NREL]] getrackt.<ref>{{Internetquelle |url=https://www.nrel.gov/pv/cell-efficiency.html |titel=Best Research-Cell Efficiency Chart |hrsg=[[National Renewable Energy Laboratory]] |abruf=2023-02-01}}</ref>

=== Halbleiterbauelemente ===
Andere bekannte Bauteile sind z. B.,

* [[High Electron Mobility Transistor]] (HEMT)
* [[Heterojunction bipolar transistor]] (HBT).

== Einzelnachweise ==
<references />

{{Normdaten|TYP=s|GND=4127243-2|LCCN=sh2002010410}}

[[Kategorie:Festkörperphysik]]
[[Kategorie:Halbleiterelektronik]]
[[Kategorie:Halbleiterphysik]]
[[Kategorie:Quantenmechanik]]
[[Kategorie:Mikroelektronik]]

Heteroübergang - Versionsgeschichte

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