Was ist Elektronen-Loch-Paar in Halbleitern – Definition

Freie Ladungsträger im Halbleiter sind Elektronen und Elektronenlöcher (Elektron-Loch-Paare). Elektronen und Löcher entstehen durch Anregung von Elektronen vom Valenzband zum Leitungsband. Ein Elektronenloch (oft einfach als Loch bezeichnet) ist das Fehlen eines Elektrons an einer Stelle, an der man in einem Atom existieren könnteoder Atomgitter. Es ist eine der beiden Arten von Ladungsträgern, die für die Erzeugung von elektrischem Strom in Halbleitermaterialien verantwortlich sind. Da in einem normalen Atom- oder Kristallgitter die negative Ladung der Elektronen durch die positive Ladung der Atomkerne ausgeglichen wird, verbleibt beim Fehlen eines Elektrons eine positive Nettoladung am Ort des Lochs. Positiv geladene Löcher können sich in Halbleitermaterialien von Atom zu Atom bewegen, wenn Elektronen ihre Position verlassen. Wenn ein Elektron auf ein Loch trifft, rekombinieren sie und diese freien Ladungsträger verschwinden effektiv. Die Rekombination bedeutet, dass ein Elektron, das vom Valenzband zum Leitungsband angeregt wurde, in den leeren Zustand im Valenzband zurückfällt, der als Löcher bekannt ist.

Die Leitfähigkeit eines Halbleiters kann im Sinne der Bandentheorie von Festkörpern modelliert werden . Das Bandmodell eines Halbleiters legt nahe, dass es bei normalen Temperaturen eine begrenzte Möglichkeit gibt, dass Elektronen das Leitungsband erreichen und zur elektrischen Leitung beitragen können. Im Halbleiter werden durch Anregung von Elektronen vom Valenzband zum Leitungsband freie Ladungsträger ( Elektron-Loch-Paare ) erzeugt. Diese Anregung hinterließ ein Loch im Valenzband, das sich als positive Ladung verhält, und es entsteht ein Elektron-Loch-Paar. Löcher können manchmal verwirrend sein, da sie nicht wie Elektronen physikalische Teilchen sind, sondern das Fehlen eines Elektrons in einem Atom. Löcher können sich von Atom zu Atom bewegen in halbleitenden Materialien als Elektronen verlassen ihre Positionen.

Elektronenanregung in Halbleitern

Energie für die Anregung kann auf verschiedene Arten gewonnen werden.

Thermische Anregung

In Abwesenheit einer externen Energiequelle werden auch ständig Elektronen-Loch-Paare aus thermischer Energie erzeugt. Die thermische Anregung erfordert keine andere Form des Startimpulses. Dieses Phänomen tritt auch bei Raumtemperatur auf. Es wird durch Verunreinigungen, Unregelmäßigkeiten im Strukturgitter oder durch Dotierstoffe verursacht. Es hängt stark von der E- _{Lücke ab} (ein Abstand zwischen Valenz und Leitungsband), so dass für die untere E- _Lückeeine Anzahl von thermisch angeregten Ladungsträgern nimmt zu. Da thermische Anregung zu Detektorrauschen führt, ist für einige Halbleitertypen (z. B. Germanium) eine aktive Kühlung erforderlich. Detektoren auf Siliziumbasis weisen auch bei Raumtemperatur ein ausreichend geringes Rauschen auf. Dies wird durch die große Bandlücke von Silizium (Egap = 1,12 eV) verursacht, die es uns ermöglicht, den Detektor bei Raumtemperatur zu betreiben. Eine Kühlung wird jedoch bevorzugt, um das Rauschen zu reduzieren.

Optische Anregung

Es ist zu beachten, dass die Energie eines einzelnen Photons des sichtbaren Lichtspektrums mit diesen Bandlücken vergleichbar ist. Photonen mit Wellenlängen von 700 nm bis 400 nm haben Energien von 1,77 eV bis 3,10 eV. Dadurch kann auch sichtbares Licht Elektronen zum Leitungsband anregen. Tatsächlich ist dies das Prinzip von Photovoltaikmodulen, die elektrischen Strom erzeugen.

Anregung durch ionisierende Strahlung

Elektronen können das Leitungsband erreichen, wenn sie durch ionisierende Strahlung angeregt werden (dh sie müssen eine höhere Energie als Egap erhalten). Im Allgemeinen übertragen stark geladene Teilchen Energie hauptsächlich durch:

• Erregung. Das geladene Teilchen kann Energie auf das Atom übertragen und Elektronen auf ein höheres Energieniveau bringen.
• Ionisation. Eine Ionisierung kann auftreten, wenn die geladenen Teilchen genug Energie haben, um ein Elektron zu entfernen. Dies führt zur Bildung von Ionenpaaren in der umgebenden Materie.

Eine geeignete Variable, die die Ionisationseigenschaften des umgebenden Mediums beschreibt, ist die Stoppleistung . Der klassische Ausdruck, der den spezifischen Energieverlust beschreibt, ist als Bethe-Formel bekannt . Bei Alpha-Partikeln und schwereren Partikeln ist die Bremskraft der meisten Materialien bei stark geladenen Partikeln sehr hoch, und diese Partikel haben sehr kurze Reichweiten.

Zusätzlich zu diesen Wechselwirkungen verlieren Beta-Partikel durch Strahlungsprozesse, die als Bremsstrahlung bekannt sind, Energie . Nach der klassischen Theorie muss ein geladenes Teilchen beim Beschleunigen oder Abbremsen Energie ausstrahlen, und die Verzögerungsstrahlung wird als Bremsstrahlung („Bremsstrahlung“) bezeichnet .

Photonen (Gammastrahlen und Röntgenstrahlen) können Atome durch den photoelektrischen Effekt und den Compton-Effekt direkt (obwohl sie elektrisch neutral sind) ionisieren, aber die sekundäre (indirekte) Ionisation ist viel bedeutender. Obwohl eine große Anzahl möglicher Wechselwirkungen bekannt ist, gibt es drei wichtige Wechselwirkungsmechanismen mit Materie.

• Photoelektrischer Effekt
• Compton-Effekt
• Paarproduktion

In allen Fällen lagert ein Teilchen ionisierender Strahlung einen Teil seiner Energie auf seinem Weg ab. Durch den Detektor laufende Teilchen ionisieren die Halbleiteratome und erzeugen die Elektron-Loch-Paare . Zum Beispiel sind typische Dicke von Siliziumdetektor sind etwa 300 um , so dass die Anzahl der erzeugten Elektronen-Loch – Paare durch mindestens ionisierenden Teilchens (MIP) , die senkrecht durch den Detektor etwa beträgt 3,2 x 10 ⁴ . Dieser Wert ist im Vergleich zur Gesamtzahl der freien Ladungsträger im intrinsischen Halbleiter mit einer Oberfläche von 1 cm ² und derselben Dicke gering . Es ist zu beachten, dass eine Probe von reinem Germanium bei 20 ° C etwa 1,26 × 10 ²¹ Atome enthält, aber auch 7,5 × 10 ¹¹freie Elektronen und 7,5 x 10 ¹¹ Löcher, die ständig aus Wärmeenergie erzeugt werden . Wie zu sehen ist, wäre das Signal-Rausch-Verhältnis (S / N) minimal. Die Zugabe von 0,001% Arsen (eine Verunreinigung) spendet zusätzliche 10 ¹⁵ freie Elektronen im gleichen Volumen und die elektrische Leitfähigkeit wird um den Faktor 10.000 erhöht. In dotiertem Material wäre das Signal-Rausch-Verhältnis (S / N) noch kleiner. Das Abkühlen des Halbleiters ist eine Möglichkeit, dieses Verhältnis zu senken.

Eine Verbesserung kann durch Verwendung einer Sperrspannung am PN-Übergang erreicht werden, um den Detektor von freien Ladungsträgern zu befreien, was das Prinzip der meisten Siliziumstrahlungsdetektoren ist. In diesem Fall wird eine negative Spannung an die p-Seite und eine positive an die zweite Seite angelegt. Löcher im p-Bereich werden vom Übergang zum p-Kontakt und ähnlich zu Elektronen und dem n-Kontakt angezogen.