Halbleiter sind im Allgemeinen anorganische oder organische Materialien, deren Leitfähigkeit von der chemischen Struktur, der Temperatur, der Beleuchtung und dem Vorhandensein von Dotierstoffen abhängt. Der Name Halbleiter kommt von der Tatsache, dass diese Materialien eine elektrische Leitfähigkeit zwischen einem Metall wie Kupfer, Gold usw. und einem Isolator wie Glas aufweisen. Sie haben eine Energielücke von weniger als 4 eV (etwa 1 eV). In der Festkörperphysik ist diese Energielücke oder Bandlücke ein Energiebereich zwischen Valenzband und Leitungsband, in dem Elektronenzustände verboten sind. Im Gegensatz zu Leitern müssen Elektronen in einem Halbleiter Energie (z. B. aus ionisierender Strahlung) gewinnen, um die Bandlücke zu überqueren und das Leitungsband zu erreichen.
Optische und thermische Anregung 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.